DE69708215T2 - Analog to digital converter - Google Patents
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Description
Die Erfindung betrifft Analog/Digitalwandler, d. h. elektronische Schaltungen, die in der Lage sind, ein analoges Eingangssignal in einen genauen digitalen Wert umzuwandeln, der die Amplitude des Analogsignals darstellt. Der digitale Wert wird in Form eines Wortes aus mehreren Bits, im allgemeinen mit reiner Binärkodierung, erhalten.The invention relates to analog/digital converters, i.e. electronic circuits capable of converting an analog input signal into a precise digital value representing the amplitude of the analog signal. The digital value is obtained in the form of a word made up of several bits, generally with pure binary coding.
Es gibt mehrere Umwandlungsverfahren, und die Wahl eines dieser Verfahrens hängt von den Eigenschaften ab, die der Wandler haben soll. Die wichtigsten Parameter für diese Eigenschaften sind:There are several conversion methods, and the choice of one of them depends on the properties that the converter should have. The most important parameters for these properties are:
- die Auflösung, die durch die Anzahl von Bits des Ausgangsworts definiert ist und genau die Amplitude des Analogsignals darstellt. Die Anzahl von Bits kann 16 bis 18 oder sogar 20 für die genauesten Wandler betragen und die Genauigkeit ist im allgemeinen durch die Hälfte des Bits geringster Wichtung definiert;- the resolution, which is defined by the number of bits of the output word and represents exactly the amplitude of the analog signal. The number of bits can be 16 to 18 or even 20 for the most precise converters and the accuracy is generally defined by half of the bit of least weight;
- die Geschwindigkeit, d. h. die Anzahl von Umwandlungsoperationen, die in einer Sekunde durchgeführt werden können;- the speed, i.e. the number of conversion operations that can be performed in one second;
- der Stromverbrauch; ein schneller und genauer Wandler verbraucht wesentlich mehr Energie als ein langsamer und ungenauer Wandler. Der Stromverbrauch führt aber zu einer Erwärmung des integrierten Chips, auf dem der Wandler realisiert ist. Diese Erwärmung muß durch Kühlmittel kompensiert werden, die den Einsatz der Schaltung erschweren, wenn wenig Raum zur Verfügung steht. Mit dem zunehmenden Gebrauch tragbarer Geräte, die mit Batterien betrieben werden, wird das Kriterium eines hohen Stromverbrauchs zum Synonym für eine kurze Betriebsdauer des Geräts;- power consumption; a fast and precise converter consumes significantly more energy than a slow and inaccurate converter. However, power consumption leads to heating of the integrated chip on which the converter is implemented. This heating must be compensated by cooling agents, which make it difficult to use the circuit when space is limited. With the increasing use of portable devices powered by batteries, the criterion of high power consumption is becoming synonymous with a short operating time of the device;
- und natürlich die Kosten für den Entwurf und die Herstellung des Wandlers, die insbesondere von der Größe des vom Wandler besetzten Chips abhängen.- and of course the costs of designing and manufacturing the converter, which depend in particular on the size of the chip occupied by the converter.
Die Qualitäten eines Analog/Digitalwandlers beruhen auf einem Kompromiß zwischen den obigen Parametern, und ein Ziel der vorliegenden Erfindung ist es, diesen Kompromiß zu verbessern.The qualities of an analog-to-digital converter are based on a compromise between the above parameters, and an aim of the present invention is to improve this compromise.
Unter den bekannten Strukturen von Analog/Digitalwandlern kann man folgende zitieren:Among the known structures of analog/digital converters, the following can be cited:
- Die Wandler mit mehrfach aufeinanderfolgenden Näherungen, die das analoge Eingangssignal Vin nacheinander mit Digitalwerten vergleichen, welche jeweils etwas besser dem Wert des analogen Signals nahekommen; diese Wandler arbeiten in mindestens N Phasen, wenn der Wert über N Bits kodiert ist. Sie sind daher im allgemeinen sehr langsam bei einer Genauigkeit, die über sechs oder acht Bits hinausgeht. Die sogenannten Flash-Wandler, die 2N Komparatoren in Parallelschaltung verwenden; die Komparatoren empfangen je einerseits das analoge Signal und andrerseits eine von 2N Bezugsspannungen, die durch eine Kette von 2N Präzisionswiderständen definiert werden. Diese Wandler sind sehr schnell (im allgemeinen nur zwei Phasen), aber brauchen viel Platz und verbrauchen eine erhebliche Energie, wenn N 10 oder 12 Bits erreicht.- The multiple approximation converters, which compare the analog input signal Vin one after the other with digital values that are each a little closer to the value of the analog signal; these converters operate in at least N phases when the value is encoded over N bits. They are therefore generally very slow for an accuracy that exceeds six or eight bits. The so-called flash converters, which use 2N comparators in parallel; the comparators receive the analog signal on one side and one of 2N reference voltages defined by a chain of 2N precision resistors on the other. These converters are very fast (generally only two phases) but take up a lot of space and consume a lot of power when N reaches 10 or 12 bits.
- Die gemischten Wandler, die einen Grobwandler zur Definition der Hits hoher Wichtung und einen Feinwandler zur Definition der Bits geringer Wichtung besitzen. Der Grobwandler kann schnell sein und nur wenig genau (z. B. vier bis sechs Bits). Der Feinwandler muß genau sein, selbst, wenn er langsamer ist.- The mixed converters, which have a coarse converter to define the high-weighted hits and a fine converter to define the low-weighted bits. The coarse converter can be fast and only slightly accurate (e.g. four to six bits). The fine converter must be accurate, even if it is slower.
Im Bereich der gemischten Wandler wurden bereits mehrere Lösungen vorgeschlagen:In the area of mixed converters, several solutions have already been proposed:
In einem Fall ist der Grobwandler ein Flash-Wandler, der P Bits liefert, also die Bits höherer Wichtung. Dieser Wert wird durch einen Digital/Analogwandler mit P Bits wieder in ein Analogsignal umgewandelt. Die Differenz zwischen dem Analogsignal Vin und diesem rückverwandelten Wert, der auch Rest genannt wird, wird von einem Feinwandler umgewandelt, der die Bits geringer Wichtung der Umwandlung bestimmt. Dadurch gewinnt man beim Stromverbrauch und dem Raumbedarf im Vergleich zu einem Flash-Wandler, aber die Digital/Analog-Umwandlung erfordert Zeit und eine genaue Regelung der Verstärkungsgrade der verschiedenen Teile der Schaltung (Analog/Digitalwandler und Digital/Analogwandler).In one case, the coarse converter is a flash converter that supplies P bits, i.e. the bits with a higher weighting. This value is converted back into an analog signal by a digital/analog converter with P bits. The difference between the analog signal Vin and this converted value, which is also called the remainder, is calculated by a fine converter. which determines the bits of low importance of the conversion. This provides a gain in power consumption and space compared to a flash converter, but the digital-to-analog conversion requires time and precise control of the gains of the different parts of the circuit (analog-to-digital converter and digital-to-analog converter).
In einem anderen Fall ist der Grobwandler eine Schaltung vom Typ einer parallelen Unterbereichsauswahl. Er besteht aus einer Auswahlschaltung für eine Gruppe (oder einen Bereich) von drei benachbarten Bezugsspannungen aus einer Anzahl (oder einem Bereich) von mehr als drei Bezugsspannungen.In another case, the coarse converter is a parallel subrange selection type circuit. It consists of a selection circuit for a group (or range) of three adjacent reference voltages from a number (or range) of more than three reference voltages.
Diese Schaltung kann das Eingangssignal Vin mit den verschiedenen Bezugsspannungen vergleichen und dann eine Gruppe von drei benachbarten Hauptbezugsspannungen so auswählen, daß Vin zwischen diesen Bezugsspannungen liegt. Daraufhin werden die Verbindungen hergestellt, die zwischen diesen drei Bezugsspannungen, drei Differentialverstärkern und einer Feinwandlerschaltung erforderlich sind.This circuit can compare the input signal Vin with the various reference voltages and then select a group of three adjacent main reference voltages such that Vin lies between these reference voltages. Then the connections required between these three reference voltages, three differential amplifiers and a fine converter circuit are made.
Der Grobwandler liefert (über einen Flash-Wandler) einen digitalen Wert, der die Dreiergruppe von Bezugswerten angibt, zwischen denen Vin liegt.The coarse converter provides (via a flash converter) a digital value that indicates the group of three reference values between which Vin lies.
Man ermittelt also einen Bereich von benachbarten Bezugsspannungen, der möglichst eng Vin einrahmt. Eine derartige Struktur wurde in dem Patent FR-A-2 699 025 beschrieben.A range of adjacent reference voltages is thus determined which frames Vin as closely as possible. Such a structure was described in patent FR-A-2 699 025.
Innerhalb dieses Hauptbezugsspannungsbereichs erfolgt dann eine Feinkodierung von Vin, indem neue Zwischenbezugswerte mit gleichen Abständen erzeugt werden. Es gibt verschiedene Verfahren hierzu, aber man muß in jedem Fall die Anzahl der Zwischen-Bezugsspannungen jedesmal verdoppeln, wenn man die Genauigkeit der Feinkodierung um einen Faktor zwei, d. h. um ein Bit) erhöhen will.Within this main reference voltage range, Vin is then finely encoded by generating new intermediate reference values at equal intervals. There are various methods for this, but in any case the number of intermediate reference voltages must be doubled each time the accuracy of the fine encoding is to be increased by a factor of two (i.e. by one bit).
Diese Zwischenbezugswerte werden von sogenannten Interpolationsschaltungen erzeugt. Letztere können Parallel- oder Serien-Interpolationsschaltungen sein.These intermediate reference values are generated by so-called interpolation circuits. The latter can be parallel or series interpolation circuits.
In den parallelen Interpolationsschaltungen nimmt die Anzahl der Bauelemente (Widerstände, Verstärker u.s.w.) gemäß der Anzahl der Zwischenbezugswerte zu, d.h. um einen Faktor zwei mit jeder Erhöhung der Genauigkeit der Feinkodierung um ein Bit. Für N Bits ergeben sich also 2N Bauelemente. Man stößt also schnell an Grenzen hinsichtlich des verfügbaren Platzes und des Stromverbrauchs.In parallel interpolation circuits, the number of components (resistors, amplifiers, etc.) increases in proportion to the number of intermediate reference values, i.e. by a factor of two for every one-bit increase in the precision of the fine coding. For N bits, this results in 2N components. One quickly reaches the limits of the available space and power consumption.
In Serien-Interpolationsschaltungen sind dagegen nur N Elemente erforderlich, um N Informationsbits zu erhalten.In series interpolation circuits, however, only N elements are required to obtain N bits of information.
Der Gewinn hinsichtlich des Platzbedarfs und des Stromverbrauchs ist also im Vergleich zur parallelen Interpolation erheblich.The gain in terms of space requirements and power consumption is therefore considerable compared to parallel interpolation.
Solche Strukturen wurden in den Patenten US-A-5 126 742 und FR-A-2 699 025 beschrieben.Such structures have been described in patents US-A-5 126 742 and FR-A-2 699 025.
In diesen Schaltungen nimmt die Anzahl von erzeugten Zwischenbezugswerten um einen Faktor zwei am Ausgang jeder Interpolationsschaltung zu. Letztere haben alle die gleiche Struktur und sind für Kaskade-Anordnungen geeignet.In these circuits, the number of generated intermediate reference values increases by a factor of two at the output of each interpolation circuit. The latter all have the same structure and are suitable for cascade arrangements.
Die Signale sind periodische Funktionen der analogen Eingangsspannung Vin in Sinusform. Diese neuen Signale gehen nicht nur durch null, wenn Vin den Hauptbezugsspannungen gleicht, sondern auch für Zwischenbezugsspannungen, die sich in der Mitte des Intervalls zwischen zwei benachbarten Hauptbezugsspannungen befinden.The signals are periodic functions of the analog input voltage Vin in sinusoidal form. These new signals pass through zero not only when Vin is equal to the main reference voltages, but also for intermediate reference voltages located in the middle of the interval between two adjacent main reference voltages.
Die Signale liefern also ein zusätzliches Informationsbit im Vergleich zu den im Grobwandler ermittelten Bits hoher Wichtung. Die so am Ausgang einer Serien-Interpolationsschaltung oder -stufe werden an die nächste Stufe angelegt, die genauso aufgebaut ist und die gleiche Funktion wie die vorhergehende Stufe besitzt (Erzeugung von Signalen, deren "Periode" erneut verdoppelt ist).The signals therefore provide an additional bit of information compared to the high-weighted bits determined in the coarse converter. The bits thus obtained at the output of a series interpolation circuit or stage are applied to the next stage, which is constructed in exactly the same way and has the same function as the previous stage (generation of signals whose "period" is again doubled).
Die nächste Stufe liefert wieder ein weiteres Bit für den Wert von Vin.The next stage provides another bit for the value of Vin.
Dies wird fortgesetzt, indem mehrere Stufen in Kaskade geschaltet werden können, um die aufeinanderfolgenden Bits geringerer Wichtung der Umwandlung zu erhalten (es sei bemerkt, daß diese "gefalteten" Signale mit Sinusform aus statischen Punkten bestehen, die von den statischen Werten von Vin abhängen, also in erster Linie nicht von der Zeit).This is continued by several stages in cascaded to obtain the successive bits of lower weight of the conversion (note that these "folded" sinusoidal signals consist of static points that depend on the static values of Vin, and therefore not primarily on time).
Ein wichtiger Nachteil der Schaltungen, die die Faltung vornehmen, ist jedoch zu erwähnen: Die Verwendung von gefalteten Signalen erfordert konstruktionsbedingt die Verwendung von stark nichtlinearen Elementen, was der Bildung von genauen Zwischenspannungen widerspricht.However, one important disadvantage of the circuits that perform the folding must be mentioned: the use of folded signals requires, by design, the use of highly nonlinear elements, which contradicts the formation of precise intermediate voltages.
Die neuen Werte der Zwischenbezugsspannungen haben daher nicht gleiche Abstände, und die Genauigkeit der Quantifizierung von Vin nimmt somit ab.The new values of the intermediate reference voltages are therefore not equally spaced and the accuracy of the quantification of Vin decreases.
Ganz gleich, welches Interpolationsverfahren für die Feinumwandlung verwendet wird, sollen die zwischen den Hauptbezugsspannungen erzeugten Zwischenbezugsspannungen möglichst gleiche Abstände besitzen.Regardless of which interpolation method is used for the fine conversion, the intermediate reference voltages generated between the main reference voltages should have as equal distances as possible.
Jede Ungenauigkeit hinsichtlich dieses Parameters begrenzt die Genauigkeit der Feinkodierung von Vin. Obwohl also die Serien-Interpolationsschaltungen die Probleme des Platzbedarfs und des Stromverbrauchs im Vergleich zu den parallelen Interpolationsschaltungen gelöst haben, so ergeben sie doch nur unter Schwierigkeiten eine höhere Kodiergenauigkeit als 10 Bits.Any inaccuracy in this parameter limits the accuracy of the fine coding of Vin. Thus, although series interpolation circuits have solved the problems of space and power consumption compared to parallel interpolation circuits, they have difficulty providing a coding accuracy higher than 10 bits.
Dies beruht unmittelbar auf der Nichtlinearität des verwendeten Faltverfahrens.This is directly due to the nonlinearity of the folding method used.
Ziel der Erfindung ist daher, eine neue Struktur eines Analog/Digitalwandlers vorzuschlagen, mit der sowohl ein geringer Platzbedarf und ein niedriger Stromverbrauch als auch eine hohe Genauigkeit erreicht werden können.The aim of the invention is therefore to propose a new structure of an analog/digital converter with which both a small space requirement and low power consumption as well as high accuracy can be achieved.
Daher ist Gegenstand er Erfindung ein Verfahren zur Analog/Digitalumwandlung einer Eingangsspannung Vin, das mehrere Interpolationsschaltungen in Kaskade verwendet, dadurch gekennzeichnet, daßTherefore, the subject of the invention is a method for analog/digital conversion of an input voltage Vin, which uses several interpolation circuits in cascade, characterized in that
- man an den Eingang einer Interpolationsschaltung des Rangs k drei Paare von Analogsignalen anlegt, die von drei Paaren von Ausgängen einer vorhergehenden Interpolationsschaltung des Rangs k-1 stammen, wobei die Signale eines Paars gleiche Werte haben, wenn die Spannung Vin einer von drei Hauptbezugsspannungen des Rangs k-1 gleicht, die je einem Paar zugeordnet sind, und wobei diese drei Spannungen zwischen sich ein aus zwei Halbintervallen des Rangs k-1 zusammengesetztes Spannungsintervall definieren,- three pairs of analog signals coming from three pairs of outputs of a preceding interpolation circuit of rank k are applied to the input of an interpolation circuit of rank k-1, the signals of a pair having equal values when the voltage Vin is equal to one of three main reference voltages of rank k-1 each associated with a pair, and these three voltages define between them a voltage interval composed of two half-intervals of rank k-1,
- man ausgehend von diesen drei Signalpaaren P = 2P+1 Paare von Interpolationssignalen (p > 1, P > 3) erzeugt, die je zwei Interpolationssignale enthalten, welche symmetrisch und monoton abhängig von der Spannung Vin variieren, wobei die Signale eines Paares gleich sind, wenn die Spannung Vin einer diesem Paar zugeordneten Bezugsspannung gleicht, und die P den P Paaren zugeordneten Bezugsspannungen im wesentlichen einerseits die drei Hauptbezugsspannungen des Rangs k-1 und andrerseits mindestens zwei Zwischenspannungen entsprechen, die in der Mitte der durch die drei Hauptbezugsspannungen des Rangs k-1 definierten Halbintervalle liegen, wobei diese P Bezugsspannungen 2P-1 Spannungsintervalle definieren können, deren Breite einem Bruchteil 1/2P-1 des Intervalls des Rangs k-1 gleicht,- from these three pairs of signals P = 2P+1, pairs of interpolation signals (p > 1, P > 3) are generated, each containing two interpolation signals varying symmetrically and monotonically as a function of the voltage Vin, the signals of a pair being equal when the voltage Vin is equal to a reference voltage associated with this pair, and the P reference voltages associated with the P pairs essentially corresponding, on the one hand, to the three main reference voltages of rank k-1 and, on the other hand, to at least two intermediate voltages located in the middle of the half-intervals defined by the three main reference voltages of rank k-1, these P reference voltages being able to define 2P-1 voltage intervals whose width is equal to a fraction 1/2P-1 of the interval of rank k-1,
- man abhängig von den Pegeln der drei Eingangssignalpaare bestimmt, welches unter den 2P-1 Intervallen das Spannungsintervall ist, das die Eingangsspannung Vin am besten einrahmt, wobei dieses Intervall aus zwei Halbintervallen gebildet wird, die durch drei der P Bezugsspannungen begrenzt wird, welche Hauptbezugsspannungen des Rangs k genannt werden,- depending on the levels of the three pairs of input signals, it is determined which of the 2P-1 intervals is the voltage interval that best frames the input voltage Vin, this interval being made up of two half-intervals delimited by three of the P reference voltages, which are called main reference voltages of rank k,
- man unter den P Paaren die drei Paare auswählt, die den drei Bezugsspannungen des Rangs k zugeordnet sind, und man diese drei Paare an den Ausgang der Interpolationsschaltung des Rangs k anlegt.- one selects from the P pairs the three pairs associated with the three reference voltages of rank k and one applies these three pairs to the output of the interpolation circuit of rank k.
Die entsprechende Wandlerstruktur enthält mehrere Interpolationsschaltungen in Kaskade mit mindestens einer Interpolations- und Auswahlschaltung des Rangs k, die aufweist:The corresponding converter structure contains several Interpolation circuits in cascade with at least one interpolation and selection circuit of rank k, comprising:
- drei Paare von Eingängen, die als Eingangssignale drei Paare von Ausgangssignalen einer vorausgehenden Interpolationsschaltung empfängt, wobei die Signale eines Paars gleiche Werte haben, wenn die Spannung Vin einer der drei Hauptbezugsspannungen des Rang k-1 gleichen, die je einem entsprechenden Paar zugeordnet sind, und wobei diese drei Spannungen miteinander ein aus zwei Halbintervallen der Spannung des Rangs k-1 zusammengesetztes Intervall definieren,- three pairs of inputs receiving as input signals three pairs of output signals from a preceding interpolation circuit, the signals of a pair having equal values when the voltage Vin is equal to one of the three main reference voltages of rank k-1 each associated with a corresponding pair, and these three voltages together defining an interval composed of two half-intervals of the voltage of rank k-1,
- Mittel, um ausgehend von den Eingangssignalen P = 2P+1 Paare von Interpolationssignalen zu erzeugen, (p > 1 und P > 3), wobei zu jedem Paar zwei Interpolationssignale gehören, die symmetrisch und monoton abhängig von der Spannung Vin variieren, und die Signale eines Paares gleich sind, wenn die Spannung Vin einer diesem Paar zugeordneten Bezugsspannung gleicht, und wobei die P den P Paaren zugeordneten Bezugsspannungen im wesentlichen einerseits die drei Hauptbezugsspannungen des Rangs k-1 und andrerseits P-3 Zwischenbezugsspannungen bilden und die P Bezugsspannungen 2p-1 Spannungsintervalle definieren können, deren Breite einem Bruchteil 1/2P-1 des Intervalls des Rangs k-1 entspricht,- means for generating, from the input signals P = 2P+1, pairs of interpolation signals (p > 1 and P > 3), each pair being associated with two interpolation signals which vary symmetrically and monotonically as a function of the voltage Vin, and the signals of a pair being equal when the voltage Vin is equal to a reference voltage associated with that pair, and the P reference voltages associated with the P pairs essentially forming, on the one hand, the three main reference voltages of rank k-1 and, on the other hand, P-3 intermediate reference voltages, and the P reference voltages can define 2p-1 voltage intervals whose width corresponds to a fraction 1/2P-1 of the interval of rank k-1,
- Entscheidungsmittel, um abhängig von den Pegeln der drei Eingangs-Signalpaare zu bestimmen, welches der 2p-1 Intervalle das Spannungsintervall ist, das am besten die Eingangsspannung Vin einrahmt, wobei dieses Intervall aus zwei Halbintervallen besteht, die durch drei von fünf Bezugsspannungen begrenzt werden und diese drei Bezugsspannungen die Bezugsspannungen des Rangs k genannt werden,- decision means for determining, depending on the levels of the three input signal pairs, which of the 2p-1 intervals is the voltage interval that best frames the input voltage Vin, this interval consisting of two half-intervals delimited by three of five reference voltages, these three reference voltages being called the reference voltages of rank k,
- und Mittel, um aus den P Paaren diejenigen drei Paare auszuwählen, die den drei Bezugsspannungen des Rangs k zugeordnet sind, um sie an den Ausgang der Interpolationsschaltung des Rangs k anzulegen.- and means for selecting from the P pairs the three pairs associated with the three reference voltages of rank k to apply them to the output of the interpolation circuit of rank k.
In Anwendung auf den Fall, in dem p = 2 und P = 5 gilt, schlägt die Erfindung einen Analog/Digitalwandler vor, der einen Eingang für den Empfang der umzuwandelnden Analogspannung Vin besitzt und dadurch gekennzeichnet ist, daß er eine Folge von Interpolations- und Auswahlschaltungen in Kaskade mit mindestens einer Interpolations- und Auswahlschaltung des Rangs k aufweist und enthält:Applied to the case where p = 2 and P = 5, the invention proposes an analogue/digital converter having an input for receiving the analogue voltage Vin to be converted and characterized in that it comprises a sequence of interpolation and selection circuits in cascade with at least one interpolation and selection circuit of rank k and comprising:
- drei Paare von Eingängen, die als Eingangssignale drei Paare von Ausgangssignalen einer Interpolationsschaltung des rangs k-1 empfangen, wobei die Signale eines Paars gleiche Werte haben, wenn die umzuwandelnde Spannung Vin einer der drei Hauptbezugsspannungen des Rangs k-1 gleicht, und wobei diese drei Spannungen miteinander ein aus zwei Spannungs- Halbintervallen des Rangs k-1 zusammengesetztes Intervall definieren,- three pairs of inputs receiving as input signals three pairs of output signals from an interpolation circuit of rank k-1, the signals of a pair having equal values when the voltage Vin to be converted is equal to one of the three main reference voltages of rank k-1, and these three voltages together define an interval composed of two voltage half-intervals of rank k-1,
- Mittel, um ausgehend von den Eingangssignalen fünf Paare von Interpolationssignalen zu erzeugen, wobei zu jedem Paar zwei Interpolationssignale gehören, die symmetrisch und monoton abhängig von der Spannung Vin variieren, und die Signale eines Paares gleich sind, wenn die Spannung Vin einer diesem Paar zugeordneten Bezugsspannung gleicht, und wobei die fünf diesen fünf Paaren zugeordneten Bezugsspannungen im wesentlichen einerseits die drei Hauptbezugsspannungen des Rangs k-1 und andrerseits zwei Zwischenbezugsspannungen bilden, die in der Mitte der durch die drei Hauptbezugsspannungen des Rangs k-1 definierten Halbintervalle liegen, und die fünf Bezugsspannungen drei Spannungsintervalle definieren können, deren Breite derjenigen eines Halbintervalls des Rangs k-1 entspricht,- means for generating, from the input signals, five pairs of interpolation signals, each pair comprising two interpolation signals varying symmetrically and monotonically as a function of the voltage Vin, the signals of a pair being equal when the voltage Vin is equal to a reference voltage associated with that pair, and the five reference voltages associated with those five pairs essentially constituting, on the one hand, the three main reference voltages of rank k-1 and, on the other hand, two intermediate reference voltages located in the middle of the half-intervals defined by the three main reference voltages of rank k-1, and the five reference voltages can define three voltage intervals whose width corresponds to that of a half-interval of rank k-1,
- Entscheidungsmittel, um diejenigen fünf Bezugsspannungen zu bestimmen, die ein Intervall der Breite gleich einem Halbintervall des Rangs k-1 definieren und am besten die Eingangsspannung Vin einrahmen, wobei diese ausgewählten Bezugsspannungen die drei Hauptbezugsspannungen des Rangs k sind,- decision means for determining the five reference voltages which define an interval of width equal to a half-interval of rank k-1 and best frame the input voltage Vin, these selected reference voltages being the three main reference voltages of rank k,
- und Mittel, um aus den fünf Paaren von Interpolationssignalen die drei Paare so auszuwählen, daß die Signale eines Paares gleich sind, wenn die Spannung Vin einer der Hauptbezugsspannungen des Rangs k gleicht.- and means for selecting from the five pairs of interpolation signals the three pairs such that the signals of a pair are equal when the voltage Vin is equal to one of the main reference voltages of rank k.
Diese Kaskadenstruktur verwendet für jede Stufe monotone Signale, die sich in einem gemeinsamen Punkt kreuzen, im Gegensatz zum Stand der Technik, bei dem man periodische gefaltete Signale verwendet, die sich an zahlreichen Punkten kreuzen.This cascade structure uses monotonic signals that cross at a common point for each stage, in contrast to the state of the art, which uses periodic convolved signals that cross at numerous points.
Die Interpolations- und Auswahlschaltung des Rangs k liefert ein Informationsbit oder zwei Informationsbits des Rangs k, die mit dem Wert der umzuwandelnden Spannung Vin verknüpft sind. Die aufeinanderfolgenden Schaltungen steigenden Rangs bestimmen jedes Mal ein Spannungsintervall, das die Spannung Vin möglichst eng einrahmt, und das für die Schaltung des Rangs k definierte Intervall ist halb so breit wie das für den Rang k-1 definierte Intervall.The interpolation and selection circuit of rank k provides one or two information bits of rank k, linked to the value of the voltage Vin to be converted. The successive circuits of increasing rank each time determine a voltage interval that frames the voltage Vin as closely as possible, and the interval defined for the circuit of rank k is half the width of the interval defined for rank k-1.
Der so definierte Wandler kann als autonomer Wandler für sich alleine verwendet werden, oder auch als Feinwandler in einer Struktur mit einem Grobwandler für die Bits höherer Wichtung und einem Feinwandler für die Bits geringerer Wichtung.The converter defined in this way can be used as an autonomous converter on its own, or as a fine converter in a structure with a coarse converter for the bits with higher weighting and a fine converter for the bits with lower weighting.
Die Interpolations- und Auswahlschaltung des Rangs 1 empfängt vorzugsweise als Eingangssignale die Differentialausgänge von drei Differentialverstärkern, die ihrerseits an einem ersten Eingang die umzuwandelnde Spannung Vin und an einem zweiten Eingang je eine von drei Hauptbezugsspannungen. Diese Verstärker liefern je zwei Ausgangsspannungen, die symmetrisch und monoton abhängig von der umzuwandelnden Spannung Vin variieren. Die Hauptbezugsspannungen besitzen voneinander solche Abstände, daß die Kurvenverläufe von Ausgangsspannungen des der zentralen Hauptbezugsspannung entsprechenden Verstärkers die Kurvenverläufe der Ausgangsspannungen der beiden anderen Verstärker in einer linearen Zone dieser Ausgangsspannungen kreuzen.The rank 1 interpolation and selection circuit preferably receives as input signals the differential outputs of three differential amplifiers, which in turn receive the voltage Vin to be converted at a first input and one of three main reference voltages at a second input. These amplifiers each provide two output voltages, which vary symmetrically and monotonically depending on the voltage Vin to be converted. The main reference voltages are spaced apart from one another such that the curves of the output voltages of the amplifier corresponding to the central main reference voltage cross the curves of the output voltages of the other two amplifiers in a linear zone of these output voltages.
Die Interpolationsschaltungen enthalten in der Praxis fünf Differentialverstärker, eine Entscheidungsschaltung und eine durch die Entscheidungsschaltung gesteuerte Auswahlschaltung, um die Ausgänge von drei aus den fünf Differentialverstärkern ausgewählten Differentialverstärkern an die Ausgänge der Schaltung weiterzuleiten.In practice, the interpolation circuits contain five differential amplifiers, a decision circuit and a selection circuit controlled by the decision circuit to pass the outputs of three differential amplifiers selected from the five differential amplifiers to the outputs of the circuit.
Es ist aber auch möglich, die erfindungsgemäße Umwandlungsstruktur zu verallgemeinern, indem man Interpolations- und Enscheidungsschaltungen verwendet, die mehr Differetialverstärker enthalten und ein Spannungsintervall des Rangs k aus sieben Intervallen oder sogar 15 und nicht nur drei Intervallen auswählen kann. Die kann nützlich sein, um die Anzahl der Kaskadestufen zu verringern, vergrößert aber natürlich die Anzahl von Differentialverstärkern, die in jeder Stufe verwendet werden, da neun oder 17 Bezugsspannungen erzeugt werden müssen, aus denen drei auszuwählen sind.However, it is also possible to generalize the conversion structure according to the invention by using interpolation and decision circuits containing more differential amplifiers and able to select a voltage interval of rank k from seven intervals or even 15 rather than just three. This can be useful for reducing the number of cascade stages, but of course increases the number of differential amplifiers used in each stage since nine or 17 reference voltages must be generated from which three must be selected.
Schließlich sei bemerkt, daß der Stand der Technik gemäß der europäischen Patentanmeldung EP-A-0 406 973 einen Wandler offenbart, der das Prinzip der Überlappung von Spannungsbereichen für jede aufeinanderfolgende Annäherung einsetzt, aber nicht das Prinzip der Auswahl von drei Paaren von Ausgangssignalen aus 2P+1 Paaren, um drei Eingänge einer nachfolgenden Stufe zu speisen.Finally, it should be noted that the prior art according to European patent application EP-A-0 406 973 discloses a converter employing the principle of overlapping voltage ranges for each successive approach, but not the principle of selecting three pairs of output signals from 2P+1 pairs to feed three inputs of a subsequent stage.
Andere Merkmale und Vorzüge der Erfindung werden nun anhand der beiliegenden Zeichnungen näher erläutert.Other features and advantages of the invention will now be explained in more detail with reference to the accompanying drawings.
Fig. 1 zeigt schematisch den allgemeinen Aufbau des erfindungsgemäßen Wandlers.Fig. 1 shows schematically the general structure of the converter according to the invention.
Fig. 2 zeigt ein typisches Schaltbild eines Differentialverstärkers wie des Verstärkers A1 in Fig. 1.Fig. 2 shows a typical circuit diagram of a differential amplifier such as amplifier A1 in Fig. 1.
Fig. 3 zeigt den Verlauf der Ausgangsspannung eines der Eingangs-Differentialverstärker abhängig von der umzuwandelnden Spannung Vin.Fig. 3 shows the output voltage curve of one of the input differential amplifiers as a function of the voltage Vin to be converted.
Fig. 4 zeigt die Überlagerung der Kurvenverläufe der Ausgangsspannungen der drei Eingangs-Differentialvarstärker.Fig. 4 shows the superposition of the curves of the output voltages of the three input differential amplifiers.
Fig. 5 erläutert das Prinzip der aufeinanderfolgenden Annäherung an Vin durch Auswahl von Spannungsbereichen.Fig. 5 explains the principle of successive approach to Vin by selecting voltage ranges.
Fig. 6 zeigt den Kurvenverlauf der Ausgangssignale der Interpolations- und Auswahlschaltung des Rangs 1 im Vergleich zu den anderen in dieser Schaltung erzeugten, aber nicht ausgewählten Signalen.Fig. 6 shows the waveform of the output signals of the rank 1 interpolation and selection circuit in comparison with the other signals generated in this circuit but not selected.
Fig. 7 zeigt die allgemeine Konfiguration einer Interpolations- und Auswahlschaltung, z. B. die Schaltung CIS1 in Fig. 1.Fig. 7 shows the general configuration of an interpolation and selection circuit, e.g. the circuit CIS1 in Fig. 1.
Fig. 8 zeigt das Schaltbild eines Differentialverstärkers mit erhöhter Linearität, wie er erfindungsgemäß verwendet wird.Fig. 8 shows the circuit diagram of a differential amplifier with increased linearity, as used according to the invention.
Fig. 9 zeigt ein praktisches Schaltbild einer Auswahlschaltung für drei Signalpaare aus fünf Paaren, die ihrerseits aufgrund von drei Paaren von Eingangssignalen gebildet werden.Fig. 9 shows a practical circuit diagram of a selection circuit for three signal pairs from five pairs, which in turn are formed on the basis of three pairs of input signals.
Fig. 10 zeigt eine Entscheidungsschaltung, mit der drei Paare von Signalen aus fünf Paaren ausgewählt werden können.Fig. 10 shows a decision circuit with which three pairs of signals can be selected from five pairs.
Fig. 11 zeigt ein Spannungsdiagramm, das die logische Begründung der Entscheidungsschaltung aus Fig. 10 liefert.Fig. 11 shows a voltage diagram that provides the logical rationale of the decision circuit of Fig. 10.
Fig. 12 zeigt eine Struktur eines Dekoders, der von in Kaskade geschalteten Addierern gebildet wird und einen digitalen Wert für Vin liefert.Fig. 12 shows a structure of a decoder formed by cascaded adders and providing a digital value for Vin.
Fig. 13 zeigt eine Variante der Realisierung der Interpolations- und Auswahlschaltung, mit der man drei Paare von Signalen aus neun Signalpaaren zur Auswahl eines Unterbereichs aus sieben Unterbereichen auswählen kann.Fig. 13 shows a variant of the implementation of the interpolation and selection circuit, with which one can select three pairs of signals from nine signal pairs to select a sub-range from seven sub-ranges.
Der allgemeine Aufbau des erfindungsgemäßen Wandlers ist in Fig. 1 dargestellt.The general structure of the converter according to the invention is shown in Fig. 1.
Aufgabe dieses Wandlers ist es, ein digitales Signal über n Bits zu liefern, das in digitaler Form den Wert der Amplitude eines Eingangssignals Vin darstellt. Die n Bits ergeben gemäß einem Binärkode für einen Wert von Vin aus 2n gleichmäßig zwischen zwei Hauptbezugsspannungen VRA und VRB verteilten Werten.The task of this converter is to provide a digital signal over n bits, which represents in digital form the value of the amplitude of an input signal Vin. The n bits result in a binary code for a value of Vin from 2n evenly distributed between two main reference voltages VRA and VRB.
Das Eingangssignal Vin kann beliebige Werte zwischen zwei Grenzwerten Vext1 und Vext2 annehmen, die auch den Bereich von Werten zwischen VRA und VRB überschreiten können, aber in allen Fällen liefert der Ausgang des Wandlers nur dann einen digitalen Wert für Vin, wenn Vin zwischen VRA und VRB liegt. Es wird jedoch gezeigt, daß der Wandler auch ein Überschreitungssignal nach oben oder unten liefern kann, das angibt, ob das Signal Vin den Bereich zwischen VRA und VRB verlassen hat.The input signal Vin can take any value between two limit values Vext1 and Vext2, which can also exceed the range of values between VRA and VRB, but in all cases the output of the converter provides a digital value for Vin only if Vin is between VRA and VRB. However, it is shown that the converter can also provide an overshoot signal up or down, indicating whether the signal Vin has left the range between VRA and VRB.
Die Hauptbezugsspannungen VRA und VRB sowie eine weitere Hauptbezugsspannung VRM, die gleiche Abstände zu den Werten VRA und VRB einhält, werden je an einen ersten Eingang eines Differentialverstärkers A1 (für VRB) beziehungsweise A2 (für VRM) beziehungsweise A3 (für VRA) angelegt.The main reference voltages VRA and VRB as well as another main reference voltage VRM, which maintains the same distances from the values VRA and VRB, are each applied to a first input of a differential amplifier A1 (for VRB) or A2 (for VRM) or A3 (for VRA).
Die Bezugsspannungen werden auf beliebige Art erzeugt, aber bevorzugt über eine Kette von Präzisionswiderständen, die zwischen zwei globalen Bezugspotentialen VA und VB liegt. Die Zwischenabgriffe in dieser Kette werden so berechnet, daß sich die Hauptbezugsspannungen VRV, VRM und VRA ergeben.The reference voltages are generated in any way, but preferably via a chain of precision resistors that lies between two global reference potentials VA and VB. The intermediate taps in this chain are calculated in such a way that the main reference voltages VRV, VRM and VRA are obtained.
Jeder Differentialverstärker besitzt einen zweiten Eingang, an den die umzuwandelnde Eingangsspannung Vin angelegt ist. Vorzugsweise kommt diese Spannung vom Ausgang eines Tast- und Haltekreises ECHB. Die Ausgangsspannung Vin dieses Kreises liefert periodisch den Wert der Spannung Ve am Eingang des Kreises und hält diesen Wert zwischen zwei aufeinanderfolgenden Tastzeitpunkten konstant. Nachfolgend wird davon ausgegangen, daß Vin das Eingangssignal des Wandlers bildet, obwohl das umzuwandelnde Analogsignal in Wirklichkeit eher das Signal Ve ist.Each differential amplifier has a second input to which the input voltage Vin to be converted is applied. Preferably, this voltage comes from the output of a sample and hold circuit ECHB. The output voltage Vin of this circuit periodically supplies the value of the voltage Ve at the input of the circuit and keeps this value constant between two consecutive sampling times. In the following, it is assumed that Vin forms the input signal of the converter, although the analog signal to be converted is in reality the signal Ve.
Der Tast- und Haltekreis ECHB ermöglicht es, den Wert des umzuwandelnden Signals vorübergehend konstant zu halten, um die Umwandlung anhand eines stabilen Eingangswerts durchzuführen.The ECHB sample and hold circuit allows the value of the signal to be converted to be temporarily kept constant in order to perform the conversion using a stable input value.
Die Differentialverstärker A1, A2, A3 sind identisch.The differential amplifiers A1, A2, A3 are identical.
Die Besonderheiten ihrer Transferfunktion (die den Verlauf ihrer Ausgangsspannung abhängig von ihrer Eingangsspannung darstellt) werden später erläutert. Bereits hier kann man aber sagen, daß diese Transferfunktionen mit ganz üblichen Verstärkern erhalten werden, die in einfachster Ausführung beispielsweise von einem Paar von Differentialzweigen gebildet werden, die global von einer Konstantstromquelle gespeist werden sowie einen Eingangstransistor und einen Lastwiderstand in jedem Zweig besitzen. Fig. 2 zeigt einen solchen Differentialverstärker A1.The special features of their transfer function (which represents the course of their output voltage depending on their input voltage) will be explained later. However, it can already be said here that these transfer functions are obtained with completely conventional amplifiers, which in the simplest design are formed, for example, by a pair of differential branches that are globally fed by a constant current source and have an input transistor and a load resistor in each branch. Fig. 2 shows such a differential amplifier A1.
Jeder Differentialverstärker besitzt zwei Differential-Ausgänge. Er liefert an diesen Ausgängen zwei Spannungen, die symmetrisch abhängig vom Wert von Vin variieren, und zwar um einen mittleren Wert Vm herum im wesentlichen linear, der für die beiden Ausgänge derselbe und für alle drei Verstärker identisch ist. Dieser mittlere gemeinsame Wert ergibt sich am Ausgang eines Verstärkers, wenn die Spannungen an den beiden Eingängen dieses Verstärkers gleich sind. Die Verstärker sind außerdem so ausgebildet, daß die Spannungen an den Differentialausgängen monoton mit Vin für den ganzen möglichen Wertebereich von Vin variieren (im Intervall von VRB bis VRA, und jenseits dieses Bereichs zwischen Vext1 und Vext2 der möglichen Werte für Vin).Each differential amplifier has two differential outputs. It delivers two voltages to these outputs which vary symmetrically depending on the value of Vin, essentially linearly around a mean value Vm which is the same for the two outputs and identical for all three amplifiers. This mean common value is obtained at the output of an amplifier when the voltages at the two inputs of this amplifier are equal. The amplifiers are also designed so that the voltages at the differential outputs vary monotonically with Vin for the entire possible range of values of Vin (in the interval from VRB to VRA, and beyond this range between Vext1 and Vext2 of the possible values of Vin).
Fig. 3 zeigt den Verlauf der beiden Ausgangs-Differentialspannungen V1A0, V1B0 für einen einzigen Verstärker A1. Die Kurven geben nicht den zeitlichen Verlauf der Ausgangsspannungen, sondern den Verlauf dieser Spannungen abhängig vom Wert der Eingangsspannung Vin wieder. Diese Kurven V1A0, V1B0 stellen die üblichen Transferfunktionen eines einfachen symmetrischen Differentialverstärkers mit zwei Eingangstransistoren und einem ersten Eingang dar, der die Bezugsspannung VRB empfängt, und einem zweiten Eingang, der Vin empfängt. Die Kurven V1A0 und V1B0 sind symmetrisch und monoton und überkreuzen sich in einem Punkt mit der Abszisse VRB und der Ordinate Vm, wobei Vm der Wert des gemeinsamen Potentials der Ausgänge für eine Eingangs-Differentialspannung null ist (Vin = VRB).Fig. 3 shows the course of the two output differential voltages V1A0, V1B0 for a single amplifier A1. The curves do not show the time course of the output voltages, but the course of these voltages depending on the value of the input voltage Vin. These curves V1A0, V1B0 represent the usual transfer functions of a simple symmetrical differential amplifier with two input transistors and a first input that receives the reference voltage VRB and a second input that receives Vin. The curves V1A0 and V1B0 are symmetrical and monotonous and cross at a point with the abscissa VRB and the ordinate Vm, where Vm is the value of the common potential of the outputs for an input differential voltage of zero (Vin = VRB).
Die Bereiche der Kurve in der Umgebung des Kreuzungspunkts und weit darüber hinaus sind linear. Entfernt man sich weiter davon, dann nähern sie sich asymptotisch an zwei Extremwerte des Ausgangspotentials an, die von den Speisespannungen und -strömen des Verstärkers abhängen. Die Steigung der linearen Bereiche ist geringer, wenn ein Emitterwiderstand in Reihe mit dem Emitter des Transistors in jedem Zweig des Verstärkers angeordnet ist. Die Linearität des linearen Bereichs wird auch mit einem solchen Emitterwiderstand verbessert, und es könnte daher nützlich sein, Differentialverstärker mit Emitterwiderständen zu verwenden.The regions of the curve around the crossover point and well beyond it are linear. Moving further away from it, they approach asymptotically two extreme values of the output potential, which depend on the amplifier supply voltages and currents. The slope of the linear regions is lower if an emitter resistor is placed in series with the emitter of the transistor in each branch of the amplifier. The linearity of the linear region is also improved with such an emitter resistor, and it might therefore be useful to use differential amplifiers with emitter resistors.
Es ist wichtig, eine gute Linearität und eine gute Übereinstimmung der mittleren Spannungswerte Vm für die drei Verstärker zu gewährleisten, und Schaltungen zur Korrektur der Linearität können vorzugsweise den Verstärkern A1, A2 und A3 zugeordnet sein (siehe weiter unten).It is important to ensure good linearity and good agreement of the average voltage values Vm for the three amplifiers, and linearity correction circuits can preferably be associated with amplifiers A1, A2 and A3 (see below).
Fig. 4 zeigt die sechs Ausgangsspannungen V1A0/V1B0 für A1, V2A0/V2B0 für A2 und V3A0/V3B0 für A3. Diese Kurven gleichen einander, sind aber seitlich gegeneinander versetzt, da sie auf drei unterschiedliche Hauptbezugsspannungen VRB, VRM und VRA zentriert sind.Fig. 4 shows the six output voltages V1A0/V1B0 for A1, V2A0/V2B0 for A2 and V3A0/V3B0 for A3. These curves are equal to each other but are offset from each other since they are centered on three different main reference voltages VRB, VRM and VRA.
Aus den Kurven des Verlaufs der Ausgangssignale der Verstärker A1, A2 und A3 können folgende Bemerkungen abgeleitet werden:The following remarks can be derived from the curves of the output signals of the amplifiers A1, A2 and A3:
- Zum einen kann man in der Schaltung aus Fig. 1 einen Komparator CMPX vorsehen, der die Ausgangssignale des ersten Verstärkers A1 empfängt und ein logisches Signal DX der Unterschreitung liefert (Vin < VRB), sowie einen Komparator CMPY, der die Ausgangssignale des dritten Verstärkers A3 empfängt und ein logisches Signal des Überschreitung liefert (Vin > VRA).- On the one hand, in the circuit of Fig. 1, one can provide a comparator CMPX which receives the output signals of the first amplifier A1 and supplies a logic signal DX of undershoot (Vin < VRB), and a comparator CMPY which receives the output signals of the third amplifier A3 and supplies a logic signal of overshoot (Vin > VRA).
- Wenn die Verstärker A1, A2, A3 in einem ziemlich großen und einander gleichen Bereich linear sind, dann ergeben sich folgende Besonderheiten:- If the amplifiers A1, A2, A3 are linear in a fairly large and equal range, then the following special features arise:
a) Die Kurven des symmetrischen Paars V1A0/V1B0 kreuzen sich im Zentrum ihrer linearen Zone und ebenso die Kurven der Paare V2A0/V2B0 und V3A0/V3B0.a) The curves of the symmetrical pair V1A0/V1B0 intersect in the center of their linear zone, as do the curves of the pairs V2A0/V2B0 and V3A0/V3B0.
b) Die Kurven des Überkreuz-Paars V1A0/V2B0 (oder des anderen Überkreuz-Paars V2A0/V1B0) kreuzen sich auch in ihren linearen Zonen (aber nicht in ihrem Zentrum) für Werte von Vin, die einer fiktiven Zwischenbezugsspannung V'RB gleichen, welche sich in der Mitte des Halbintervalls VRB/- VRM befindet.b) The curves of the cross-pair V1A0/V2B0 (or the other cross-pair V2A0/V1B0) also cross in their linear zones (but not in their centre) for values of Vin equal to a fictitious intermediate reference voltage V'RB located in the middle of the half-interval VRB/- VRM .
c) Die Kurven des Überkreuz-Paars V2A0/V3B0 (oder des anderen Überkreuz-Paars V3A0/V2B0) kreuzen sich auch in ihren linearen Zonen (aber nicht in ihrem Zentrum) für Werte von Vin, die einer fiktiven Zwischenbezugsspannung V'RA gleichen, welche sich in der Mitte des Halbintervalls VRM/- VRA befindet.c) The curves of the cross-pair V2A0/V3B0 (or the other cross-pair V3A0/V2B0) also cross in their linear zones (but not in their centre) for values of Vin equal to a fictitious intermediate reference voltage V'RA located in the middle of the half-interval VRM/- VRA.
Legt man das symmetrische Paar von Signalen V1A0/V1B0 an einen neuen symmetrischen und linearen Differentialverstärker an, dann liefert dieser Verstärker ein neues Paar von Signalen, die abhängig von Vin monoton und symmetrisch variieren, wobei die Kurven des Verlaufs dieser Signale sich wieder im Zentrum ihrer linearen Zone überkreuzen, wenn Vin der Hauptbezugsspannung VRB gleicht. Für das Paar V2A0/V2B0 gilt dasselbe bezüglich der Bezugsspannung VRM und für das Paar V3A0/V3B0 kreuzen sich die Kurven in ihrem Zentrum, wenn Vin der Hauptbezugsspannung VRA gleicht.If the symmetrical pair of signals V1A0/V1B0 is applied to a new symmetrical and linear differential amplifier, this amplifier will provide a new pair of signals varying monotonically and symmetrically as a function of Vin, the curves of the course of these signals crossing again at the center of their linear zone when Vin is equal to the main reference voltage VRB. The same applies to the pair V2A0/V2B0 with respect to the reference voltage VRM, and for the pair V3A0/V3B0 the curves crossing at their center when Vin is equal to the main reference voltage VRA.
Legt man das Überkreuzpaar V1A0/V2B0 an einen linearen symmetrischen Differentialverstärker, dann liefert dieser Verstärker ein neues Paar von Signale, deren Verlauf abhängig von Vin monoton und symmetrisch ist. Die Kurven des Verlaufs dieser Signale kreuzen sich im Zentrum ihrer linearen Zonen (was nicht für die Kurvenpaare V1A0/V2B0 selbst der Fall war) für einen Wert der Eingangsspannung Vin = V'RB.If the crossover pair V1A0/V2B0 is applied to a linear symmetrical differential amplifier, this amplifier delivers a new pair of signals whose course is monotonic and symmetrical depending on Vin. The curves of the course of these signals cross in the center of their linear zones (which was not the case for the pairs of curves V1A0/V2B0 themselves) for a value of the input voltage Vin = V'RB.
Gleiches gilt für das Überkreuzpaar V2A0/V3B0, das an einen symmetrischen linearen Differentialverstärker angelegt zwei Signale erzeugt, deren monotone und symmetrische Kurven sich in ihrem Zentrum kreuzen, wenn gilt Vin = V'RA.The same applies to the crossover pair V2A0/V3B0, which, when applied to a symmetrical linear differential amplifier, produces two signals whose monotonic and symmetrical curves cross at their center when Vin = V'RA.
Die zusätzlichen Differentialverstärker, von denen oben gesprochen wurde, können also zur Bildung von fünf Signalpaaren dienen, die man Interpolationssignale nennen kann, und zwar:The additional differential amplifiers mentioned above can therefore be used to form five pairs of signals that can be called interpolation signals, namely:
- drei Paare, die völlig analog zu den Ausgangssignalen der Verstärker A1, A2, A3 sind, wobei die Kreuzungspunkte ihrer Kurvenverläufe den drei Hauptbezugsspannungen VRB, VRM und VRA entsprechen,- three pairs that are completely analogous to the output signals of the amplifiers A1, A2, A3, with the crossing points of their curves corresponding to the three main reference voltages VRB, VRM and VRA,
- zwei zusätzliche Paare, die den drei ersten Paaren sehr ähnlich sind, aber deren Kurven zwischen die der drei anderen Paare eingeschoben sind, wobei der Kreuzungspunkt des einen Paares sich für Vin = V'RA und der des anderen Paares für Vin = V'RB ergibt, d. h. für die beiden fiktiven Zwischen- Bezugsspannungen.- two additional pairs, very similar to the first three pairs, but whose curves are inserted between those of the other three pairs, the crossing point of one pair being for Vin = V'RA and that of the other pair being for Vin = V'RB, i.e. for the two fictitious intermediate reference voltages.
Weiter unten wird auf diese Kurvenverläufe der Ausgangssignale dieser zusätzlichen Differentialverstärker eingegangen, die, wie gezeigt wird, zu einer Interpolationszelle CI1 gehören, die ihrerseits Teil einer Interpolations- und Auswahlschaltung CIS1 in einer Struktur mit mehreren Interpolations und Auswahlschaltungen in Kaskade ist.Below we will discuss the waveforms of the output signals of these additional differential amplifiers, which, as shown, belong to an interpolation cell CI1, which in turn is part of an interpolation and selection circuit CIS1 in a structure with several interpolation and selection circuits in cascade.
Der Bezugsspannungsbereich, in dem sich die fünf Bezugsspannungen befinden, ist der Bereich von VRB über VRM bis VRA, der als Bereich des Rangs 0 bezeichnet werden kann und in zwei Halbintervalle des Rangs 0 unterteilt ist, bei denen es sich um die Halbintervalle VRB/VRM und VRM/VRA handelt.The reference voltage range in which the five reference voltages are located is the range from VRB through VRM to VRA, which can be referred to as the rank 0 range, and is divided into two rank 0 half-intervals, which are the VRB/VRM and VRM/VRA half-intervals.
Erfindungsgemäß wählt man innerhalb dieses Bereichs des Rangs 0 einen Bereich des Rangs 1 der halben Größe, d. h. einer Breite gleich einem Halbintervall des Rangs 0 aus. Dieser Bereich des Rangs 1 hat als Endpunkte zwei der fünf Bezugsspannungen des Bereichs des Rangs 0 und als Mittelpunkt eine andere dieser fünf Bezugsspannungen.According to the invention, within this range of rank 0, a range of rank 1 of half the size, ie a width equal to a half interval of rank 0, is selected. This range of rank 1 has as end points two of the five reference voltages of the range of rank 0 and as center another of these five reference voltages.
Es gibt drei Möglichkeiten, nämlich den Bereich (VRB, VR'B, VRM), den Bereich (VR'B,VRM, VR'A) und den Bereich (VRM, VR'A, VRA).There are three possibilities, namely the area (VRB, VR'B, VRM), the area (VR'B,VRM, VR'A) and the area (VRM, VR'A, VRA).
Man wählt denjenigen Bereich, der die Spannung Vin möglichst eng umrahmt, was durch Vergleich der Werte der drei Paare von Ausgangssignalen der Verstärker A1, A2, A3 möglich wird (detaillierte Erläuterungen zu diesem Vergleich werden weiter unten gegeben). Die drei Bereiche überlappen sich, d. h. daß der zentrale Bereich sich in die beiden anderen Bereiche erstreckt.The range that surrounds the voltage Vin as closely as possible is chosen, which is possible by comparing the values of the three pairs of output signals from amplifiers A1, A2, A3 (detailed explanations of this comparison are given below). The three ranges overlap, i.e. the central range extends into the other two ranges.
Die Auswahl eines von drei Bereichen bedeutet ganz einfach die Auswahl von drei Paaren von Signale unter den fünf Signalpaaren, die von fünf Differentialverstärkern in der Interpolationsschaltung CIS1 gebildet wurden.Selecting one of three ranges simply means selecting three pairs of signals from among the five pairs of signals formed by five differential amplifiers in the interpolation circuit CIS1.
Die Interpolationsschaltung des Rangs 1, also CIS1, bildet somit fünf Paare von Signalen mit einer Interpolationszelle CI1, die fünf Differentialverstärker enthält, aber sie liefert an ihrem Ausgang nur drei ausgewählte Paare, die VIA1/VIB1, V2A1/V2B1, V3A1/V3B1 heißen. Die ausgewählten Paare sind diejenigen, die drei Bezugsspannungen entsprechen, welche möglichst gut die Eingangsspannung Vin einrahmen.The rank 1 interpolation circuit, CIS1, thus forms five pairs of signals with an interpolation cell CI1 containing five differential amplifiers, but it only delivers three selected pairs at its output, called VIA1/VIB1, V2A1/V2B1, V3A1/V3B1. The selected pairs are those corresponding to three reference voltages that frame the input voltage Vin as closely as possible.
Eine Entscheidungsschaltung CD1 ist also der Zelle CI1 zugeordnet, um die Auswahl von drei der fünf Paare zu steuern, wobei die Einheit aus CD1 und CI1 die Interpolationsschaltung CIS1 des Rangs 1 bildet.A decision circuit CD1 is therefore associated with the cell CI1 to control the selection of three of the five pairs, the unit consisting of CD1 and CI1 forming the interpolation circuit CIS1 of rank 1.
Es wurden also drei Signalpaare erarbeitet, deren Signalverlauf abhängig von Vin ähnlich dem der Ausgangssignale der drei Verstärker A1, A2, A3 ist und die sich für drei ausgewählte Bezugsspannungen kreuzen, die nun Hauptbezugsspannungen des Rangs 1 genannt werden. Diese Bezugsspannungen sind fiktiv, und ebenso, wie die drei realen Bezugsspannungen VRB, VRM, VRA ein Spannungsintervall des Rangs 0 mit der Amplitude VRA-VRB definierten, definieren diese drei fiktiven Bezugsspannungen ein Spannungsintervall oder einen Spannungsbereich der Rangs 1, der halb so groß wie der des Rangs 0 ist und möglichst gut auf die Spannung Vin zentriert ist.Three pairs of signals were therefore developed, the waveform of which, depending on Vin, is similar to that of the output signals of the three amplifiers A1, A2, A3 and which intersect for three selected reference voltages, which are now called main reference voltages of rank 1. These reference voltages are fictitious and, just as the three real reference voltages VRB, VRM, VRA defined a voltage interval of rank 0 with the amplitude VRA-VRB, These three fictitious reference voltages form a voltage interval or a voltage range of rank 1 which is half the size of that of rank 0 and is centred as closely as possible on the voltage Vin.
Die Interpolationsschaltung CIS1 ist außerdem in der Lage, eine Information über den ausgewählten Spannungsbereich zu liefern, da die Schaltung ja diesen Bereich selbst auswählt, und diese Information (beispielsweise zwei Bits für die Auswahl eines von drei Bereichen) kann selbstverständlich für die Analog/Digitalumwandlung von Vin verwendet werden, da sie einer Auswahl des am besten auf Vin zentrierten Bereichs entspricht. Die so erhaltene digitale Information entspricht natürlich einer Grobannäherung an Vin, d. h. sie ergibt ein Bit der Umwandlung mit hoher Wichtung. Weiter unten wird erläutert, wie genau diese Information ausgewertet wird, aber bereits hier kann man sagen, daß die Information über die Bereichsauswahl an eine Dekodierschaltung DEC übermittelt wird, die den digitalen Wert B0, B1, ..., Bn der Analog/Digitalumwandlung von Vin bewirkt.The interpolation circuit CIS1 is also able to provide information on the selected voltage range, since the circuit itself selects this range, and this information (for example two bits for selecting one of three ranges) can of course be used for the analogue/digital conversion of Vin, since it corresponds to a selection of the range best centred on Vin. The digital information thus obtained is of course a rough approximation of Vin, i.e. it results in a bit of conversion with a high weight. It will be explained below how exactly this information is evaluated, but it can already be said here that the information on the range selection is transmitted to a decoding circuit DEC, which produces the digital value B0, B1, ..., Bn of the analogue/digital conversion of Vin.
Nun müssen nur noch die drei Paare von Ausgangssignalen der Schaltung CIS1 für die weitere Übertragung an eine Folge weiterer Interpolationsschaltungen in Kaskade, nämlich CIS2, ..., CISn verwendet werden, die der Schaltung CIS1 gleichen. Jede Schaltung empfängt drei Paare von Signalen und erarbeitet fünf, und wählt drei jeweils für die nächste Schaltung aus. In jeder Stufe haben die drei Signalpaare den gleichen Verlauf wie in Fig. 4 gezeigt, d. h. daßNow only the three pairs of output signals of the CIS1 circuit must be used for further transmission to a series of further interpolation circuits in cascade, namely CIS2, ..., CISn, which are similar to the CIS1 circuit. Each circuit receives three pairs of signals and processes five, and selects three for the next circuit. In each stage, the three signal pairs have the same course as shown in Fig. 4, i.e.
- ihre Kurvenverläufe gemäß Vin monoton sind,- their curves are monotonic according to Vin,
- die Verläufe eines Paares symmetrisch zueinander sind und sich in ihrem Zentrum kreuzen, das eine Hauptbezugsspannung definiert, sodaß die drei Paare drei Hauptbezugsspannungen definieren,- the courses of a pair are symmetrical to each other and intersect at their centre, which defines a main reference voltage, so that the three pairs define three main reference voltages,
- die Kurvenverläufe eines Paares sich mit den Kurvenverläufen des benachbarten Paares in ihren linearen Zonen kreuzen und zwei Zwischenbezugsspannung definieren,- the curves of one pair intersect with the curves of the adjacent pair in their linear zones and define two intermediate reference voltages,
- die Kurven der drei Paare komprimiert sind und ihre Abstände jedesmal um die Hälfte im Vergleich zu den Abständen der Kurven der vorhergehenden Stufe verkürzt sind,- the curves of the three pairs are compressed and their distances are each reduced by half compared to the distances of the curves of the previous stage,
- und daß Vin stets in dem von den drei Hauptbezugsspannungen definierten Bereich liegt, der sich von Stufe zu Stufe verengt.- and that Vin always lies within the range defined by the three main reference voltages, which narrows from stage to stage.
Daher empfängt eine Interpolations- und Auswahlschaltung CISk des Rangs k drei Paare von Signalen V1Ak-1/V1Bk- 1, V2Ak-1/V2Bk-1, V3Ak-1/V3Bk-1. Die Signalpaare variierean abhängig von Vin gemäß symmetrischen und monotonen Kurven, die sich im Zentrum ihrer linearen Zonen für drei Hauptbezugsspannungen des Rangs k-1 kreuzen, die einen Bereich des Rangs k-1 definieren. Die Schaltung CISk bildet fünf Signalpaare und wählt drei aus, die die Signalpaare V1Ak/V1Bk, V2Ak/V2Bk, V3Ak/V3Bk sind.Therefore, an interpolation and selection circuit CISk of rank k receives three pairs of signals V1Ak-1/V1Bk-1, V2Ak-1/V2Bk-1, V3Ak-1/V3Bk-1. The signal pairs vary as a function of Vin according to symmetrical and monotonic curves which intersect at the center of their linear zones for three main reference voltages of rank k-1 defining a range of rank k-1. The circuit CISk forms five signal pairs and selects three which are the signal pairs V1Ak/V1Bk, V2Ak/V2Bk, V3Ak/V3Bk.
Es sei bemerkt, daß die drei ausgewählten Paare von Ausgangsspannungen einen Kurvenverlauf von Vin besitzen, die sich alle in einer linearen Zone dieser Kurven kreuzen, sodaß man in der nächstfolgenden Stufe diese Signale nutzen kann, um weitere genau definierte Interpolationsspannungen zu erzeugen.It should be noted that the three selected pairs of output voltages have a waveform of Vin, which all intersect in a linear zone of these waveforms, so that in the next stage these signals can be used to generate further well-defined interpolation voltages.
Die Schaltung CISk liefert außerdem Informationen (grundsätzlich zwei Bits) über den ausgewählten Spannungsbereich für den Rang k, und diese Informationen werden dem Dekoder DEC übermittelt.The CISk circuit also provides information (basically two bits) about the selected voltage range for rank k, and this information is transmitted to the decoder DEC.
Im Rang 0 gibt es keine andere Schaltung als die Verstärker A1, A2, A3. Die Schaltung des Rangs 1 empfängt also unmittelbar die Ausgangssignale der Verstärker A1, A2, A3. Die letzte Interpolationsschaltung des Rangs n kann mithilfe eines Komparators CMPn ein Informationsbit über die Lage von Vin bezüglich der mittleren Bezugsspannung der Gruppe von Hauptbezugsspannungen des Rangs n liefern. Diese Information ergibt sich durch Vergleich der Ausgangssignale V2An und V2Bn der Schaltung CISn des Rangs n. Sie wird an den Dekoder übertragen der sie zur Bildung des digitalen Werts B0, B1, B2, ..., Bn von Vin benötigt.In rank 0 there is no other circuit than amplifiers A1, A2, A3. The rank 1 circuit therefore receives directly the output signals of amplifiers A1, A2, A3. The last interpolation circuit of rank n can, by means of a comparator CMPn, provide a bit of information on the position of Vin with respect to the average reference voltage of the group of main reference voltages of rank n. This information is obtained by comparing the output signals V2An and V2Bn of the rank n circuit CISn. It is transmitted to the decoder which uses it to form the digital value B0, B1, B2, ..., Bn of Vin required.
Da der Wandler aus einer Kaskade von Interpolationsschaltungen besteht, muß die Bereichsauswahllogik sequentiell von einer Stufe zur nächsten betrieben werden, wobei die Bildung eines Bereichs des Rangs k erst sinnvoll ist, wenn vorher der Bereich des Rangs k-1 gewählt wurde. Der Wandler arbeitet also unter Kontrolle durch eine Folgeschaltung, und die an die Stufen des Rangs k angelegten Taktsignale sind um eine kurze Zeitspanne, beispielsweise mithilfe einer Verzögerungsschaltung Rk, bezüglich der Taktsignale verzögert, die an die vorhergehende Stufe angelegt wurden. Diese Verzögerungsschaltungen R&sub1;, R&sub2;, ..., Rn sind in Fig. 1 gezeigt.Since the converter consists of a cascade of interpolation circuits, the range selection logic must be operated sequentially from one stage to the next, whereby the formation of a range of rank k only makes sense if the range of rank k-1 has been selected beforehand. The converter therefore operates under the control of a sequential circuit and the clock signals applied to the stages of rank k are delayed by a short period of time, for example by means of a delay circuit Rk, with respect to the clock signals applied to the previous stage. These delay circuits R₁, R₂, ..., Rn are shown in Fig. 1.
Fig. 5 ist ein erläuterndes Diagramm, das bildlich den Begriff von aufeinanderfolgenden Spannungsbereichen zeigt, die aufeinanderfolgend jeweils halbiert werden, wobei ein Bereich des Rangs k sich in drei Bereiche des Rangs k+1 zerlegt, die sich überlappen und unter denen ein Bereich des Rangs k+1 ausgewählt wird, der am besten die Spannung Vin einrahmt.Fig. 5 is an explanatory diagram showing pictorially the concept of successive voltage ranges which are successively halved, wherein a range of rank k is decomposed into three ranges of rank k+1 which overlap, and from among them a range of rank k+1 which best frames the voltage Vin is selected.
Fig. 5 zeigt symbolisch das Prinzip der Auswahl von immer kleiner werdenden Bereichen, um den Wert Vin, auf dem der Aufbau der Kaskadenstruktur gemäß Fig. 1 beruht.Fig. 5 shows symbolically the principle of selecting ever smaller areas around the value Vin, on which the construction of the cascade structure according to Fig. 1 is based.
Vin liegt ursprünglich im Bereich der Spannungen VRB, VRM, VRA, die vertikal in Fig. 5 aufgetragen sind. Befindet sich Vin nicht in diesem Bereich, dann zeigt dies der Komparator CMPX oder der Komparator CMPY an.Vin is initially in the range of voltages VRB, VRM, VRA, which are plotted vertically in Fig. 5. If Vin is not in this range, this is indicated by the comparator CMPX or the comparator CMPY.
Der Bereich VRB, VRM, VRA ist der Bereich des Rangs null und setzt sich aus zwei Halbintervallen des Rangs null zusammen, nämlich VRB/VRM und VRM/VRA.The range VRB, VRM, VRA is the range of rank zero and consists of two half-intervals of rank zero, namely VRB/VRM and VRM/VRA.
Die Verwendung der drei Signalpaare aus den Verstärkern A1, A2, A3 ermöglicht wie oben erläutert, in der Schaltung CIS1 des Rangs 1 fünf fiktive Bezugsspannungen zu definieren (drei Hauptbezugsspannungen VRB, VRM und VRA sowie zwei Zwischenbezugsspannungen V'RB und V'RA, die sich in der Mitte der Halbintervalle VRB/VRM und VRM/VRA befinden.The use of the three pairs of signals from the amplifiers A1, A2, A3 makes it possible, as explained above, to define five fictitious reference voltages in the CIS1 circuit of rank 1 (three main reference voltages VRB, VRM and VRA and two intermediate reference voltages V'RB and V'RA, which are in the middle of the half intervals VRB/VRM and VRM/VRA.
Diese fünf Bezugsspannungen definieren drei Spannungsbereiche des Rangs 1, die je eine Amplitude gleich der Hälfte der Bereiche des Rangs null besitzen und sich wechselweise überlappen sowie zwei Halbintervalle des Rangs 1 bilden, deren Amplitude der Hälfte der Halbintervalle des Rangs null entspricht.These five reference voltages define three rank 1 voltage ranges, each with an amplitude equal to half of the rank zero ranges, which overlap each other and form two rank 1 half-intervals, the amplitude of which corresponds to half of the rank zero half-intervals.
Diese Spannungsbereiche überlappen sich, und die Spannung Vin kann innerhalb eines oder zweier dieser Bereiche liegen. Sie wird jedoch von nur einem dieser Bereiche eng eingerahmt (nämlich dem, dessen Mitte der Spannung Vin näher kommt).These voltage ranges overlap, and the voltage Vin may lie within one or two of these ranges. However, it is closely bounded by only one of these ranges (namely, the one whose center is closer to the voltage Vin).
Eine Aufgabe der Interpolations- und Auswahlschaltung, genauer betrachtet eine Aufgabe der zugeordneten Entscheidungsschaltung, ist es, diesen Bereich, der Vin am besten einrahmt, auszuwählen. In Fig. 5 ist dies der Bereich VRM/VRA, dessen Zwischenbezugsspannung V'RA ist.One task of the interpolation and selection circuit, or more precisely one task of the associated decision circuit, is to select this range which best frames Vin. In Fig. 5, this is the range VRM/VRA, whose intermediate reference voltage is V'RA.
Dieser Bereich ist der ausgewählte Bereich des Rangs 1 und zur Vereinheitlichung der Bezeichnung kann man die drei fiktiven Hauptbezugsspannungen des Rangs 1, die dieser Bereich für die Interpolationsschaltung des nachfolgenden Rangs 2 definiert, mit VRB&sub1;, VRM&sub1;, VRA&sub1; benennen.This range is the selected range of rank 1 and, to standardize the designation, the three fictitious main reference voltages of rank 1 that this range defines for the interpolation circuit of the subsequent rank 2 can be named VRB₁, VRM₁, VRA₁.
Diese drei Hauptbezugsspannungen des Rangs 1 sind theoretisch VRM, V'RA und VRA, aber aufgrund der Linearitätsfehler gleichen die von der Interpolationsschaltung definierten fiktiven Bezugsspannungen möglicherweise nicht exakt den Bezugsspannungen des Rangs null. Daher wurden die Bezugsspannungen des Rangs 1 mit VRB&sub1;, VRM&sub1;, VRA&sub1; bezeichnet.These three main rank 1 reference voltages are theoretically VRM, V'RA and VRA, but due to the linearity errors, the fictitious reference voltages defined by the interpolation circuit may not exactly equal the rank 0 reference voltages. Therefore, the rank 1 reference voltages were designated VRB₁, VRM₁, VRA₁.
Diese Auswahl von drei Bereichen entspricht in der Praxis innerhalb der Interpolations- und Auswahlschaltung des Rangs 1, also CIS1, der Auswahl von drei Paaren von Signalen unter fünf Paaren, die in dieser Schaltung gebildet werden, wobei diese drei ausgewählten Paare den Ausgang der Schaltung CIS1 bilden und an den Eingang der Schaltung CIS2 angelegt werden.This selection of three ranges corresponds in practice, within the interpolation and selection circuit of rank 1, i.e. CIS1, to the selection of three pairs of signals among five pairs formed in this circuit, these three selected pairs forming the output of the circuit CIS1 and being fed to the input of the circuit CIS2 be created.
In gleicher Weise kann man ausgehend von den drei an die Schaltung CIS2 des Rangs 2 angelegten Signalpaare fünf Paare von Signalen bilden und drei Paare von Ausgangssignalen des Rangs 2, V1A&sub2;, VIB&sub2;; V2A&sub2;, V2B&sub2;; V3A&sub2;, V3B&sub2; entsprechend einem Spannungsbereich des Rangs 2 einer Amplitude auswählen, die halb so groß wie die des Bereichs des Rangs 1 ist und die in zwei Halbintervalle unterteilt ist, welche durch die Bezugsspannungen VRB&sub2;, VRM&sub2; und VRA&sub2; bezeichnet werden, wobei der ausgewählte Bereich derjenige ist, der dem Wert von Vin an nächsten kommt.Similarly, starting from the three pairs of signals applied to the rank 2 circuit CIS2, it is possible to form five pairs of signals and to select three pairs of rank 2 output signals, V1A₂, VIB₂; V2A₂, V2B₂; V3A₂, V3B₂, corresponding to a rank 2 voltage range of an amplitude half that of the rank 1 range and divided into two half-intervals designated by the reference voltages VRB₂, VRM₂ and VRA₂, the selected range being the one closest to the value of Vin.
Schritt für Schritt wählt man dann weiter Bereiche aus, die immer enger Vin einrahmen.Step by step, you then select further areas that frame Vin more and more closely.
Die Wahl des am besten geeigneten Bereichs für den Rang k erfolgt durch die Auswahlschaltung CDk, die der Interpolationszelle CIk des Rangs k zugeordnet ist. Diese Entscheidungsschaltung trifft die Entscheidung abhängig vom Wert der an den Eingang der Schaltung des Rangs k angelegten Spannungen.The choice of the most suitable range for rank k is made by the selection circuit CDk associated with the interpolation cell CIk of rank k. This decision circuit makes the decision depending on the value of the voltages applied to the input of the circuit of rank k.
Die Überlappung der Bereiche erlaubt es, die für die Entscheidungsschaltungen erforderliche Genauigkeit zu begrenzen. Diese Genauigkeit muß nicht so groß sein wie die Umwandlungsgenauigkeit des Wandlers.The overlap of the ranges makes it possible to limit the accuracy required for the decision circuits. This accuracy does not have to be as high as the conversion accuracy of the converter.
Fig. 6 zeigt fünf Paare von Signalen, die in der Interpolationsschaltung CIS1 gebildet werden und von denen drei (mit durchgezogenen Strichen markiert) ausgewählt werden, da sie einen Bereich des Rangs 1 definieren, der Vin am besten einrahmt, während zwei weitere (gestrichelt dargestellt) nicht verwendet werden, da sie nur zur Bildung der beiden nicht ausgewählten Bereiche dienen.Fig. 6 shows five pairs of signals formed in the interpolation circuit CIS1, of which three (marked with solid lines) are selected because they define a range of rank 1 that best frames Vin, while two others (shown in dashed lines) are not used because they serve only to form the two unselected ranges.
Die fünf Signalpaare besitzen (von Vin abhängige) Kurvenverläufe, die denen gemäß Fig. 4 ähnlich sind.The five signal pairs have (Vin-dependent) waveforms similar to those shown in Fig. 4.
Obwohl die Kurven der Fig. 6 mit gleichen Steigungen an den Kreuzungspunkten wie die in Fig. 4 gezeigten Kurven dargestellt wurden, sei bemerkt, daß andere Steigungen vorliegen können, ohne das Arbeitsprinzip zu ändern. Allgemein ist die Steigung der Signalverläufe einer Stufe abhängig von Vin nicht notwendigerweise die gleiche wie die Steigung der Signalverläufe der vorhergehenden Stufe abhängig von Vin. Vorzugsweise ist vielmehr die Steigung doppelt so groß. Auf diesen Punkt wird weiter unten nochmals eingegangen.Although the curves of Fig. 6 were shown with the same slopes at the crossing points as the curves shown in Fig. 4, it should be noted that other slopes can be present without changing the operating principle. In general, the slope of the signal curves of one stage as a function of Vin is not necessarily the same as the slope of the signal curves of the previous stage as a function of Vin. Preferably, the slope is twice as large. This point will be discussed again below.
Fig. 7 zeigt den schematischen Aufbau einer Interpolations- und Auswahlschaltung, beispielsweise der Schaltung CIS1 des Rangs 1, wobei die anderen genauso ausgebildet sein können.Fig. 7 shows the schematic structure of an interpolation and selection circuit, for example the circuit CIS1 of rank 1, whereby the others can be designed in the same way.
Die Schaltung enthält fünf Differentialverstärker AD1, AD2, AD3, AD4 und AD5, die nach Art der Schaltung gemäß Fig. 2 aufgebaut sein können oder hinsichtlich der Linearität verbessert sein können wie die Schaltung in Fig. 8, da die Linearität ein in der erfindungsgemäßen Struktur wichtiger Genauigkeitsfaktor ist.The circuit includes five differential amplifiers AD1, AD2, AD3, AD4 and AD5, which may be constructed in the manner of the circuit according to Fig. 2 or may be improved in terms of linearity like the circuit in Fig. 8, since linearity is an important accuracy factor in the structure according to the invention.
Die Verstärker AD1, AD3 und AD5 empfangen eingangsseitig die Paare von symmetrischen Signale V1A&sub0;/V1B&sub0;, V2A&sub0;/V2B&sub0;, V3A&sub0;/V3B&sub0;. Die Verstärker AD2 und AD4 empfangen Überkreuzpaare V1A&sub0;/V2B&sub0; beziehungsweise V2A&sub0;/V3B&sub0;.The amplifiers AD1, AD3 and AD5 receive on the input side the pairs of balanced signals V1A₀/V1B₀, V2A₀/V2B₀, V3A₀/V3B₀. The amplifiers AD2 and AD4 receive crossover pairs V1A₀/V2B₀ and V2A₀/V3B₀ respectively.
Sie erzeugen fünf Paare von Signalen für einen Multiplexer MUX, der drei von ihnen unter Steuerung durch die Entscheidungsschaltung CI1 auswählt. Die drei ausgewählten Signalpaare sind folgende: V1A&sub1;/V1B&sub1;, V2A&sub1;/V2B&sub1;, V3A&sub1;/V3B&sub1;. Sie werden als Eingangssignale an die nächste Stufe angelegt.They generate five pairs of signals for a multiplexer MUX, which selects three of them under the control of the decision circuit CI1. The three selected signal pairs are as follows: V1A₁/V1B₁, V2A₁/V2B₁, V3A₁/V3B₁. They are applied as input signals to the next stage.
Die Entscheidungsschaltung CI1 empfängt die Eingangssignale V1A&sub0;, V1B&sub0;, V2A&sub0;, V2B&sub0;, V3A&sub0;, V3B&sub0; (oder nur bestimmte dieser Signale, vorausgesetzt daß sie symmetrische Paare bilden). Sie erzeugt logische Signale H1&sub1;, H2&sub1;, H3&sub1; und gegebenenfalls ihr Komplement. Diese Signale steuern den Multiplexer MUX: Das Signal H1&sub1; ist auf einem hohen logischen Pegel, wenn der untere Spannungsbereich ausgewählt wird; das Signal H2&sub1; ist auf hohem Pegel, wenn der mittlere Bereich ausgewählt wird, und das Signal H3&sub1; ist auf hohem Pegel, wenn der obere Bereich ausgewählt wird.The decision circuit CI1 receives the input signals V1A₀, V1B₀, V2A₀, V2B₀, V3A₀, V3B₀ (or only certain of these signals, provided that they form symmetrical pairs). It generates logic signals H1₁, H2₁, H3₁ and their complement, if necessary. These signals control the multiplexer MUX: the signal H1₁ is at a high logic level when the lower voltage range is selected; the signal H2₁ is at a high level when the middle range is selected. is selected, and the signal H3₁ is at high level when the upper range is selected.
Die von der Schaltung CD1 gebildeten Signale, hier genauer die Signale H2&sub1; und H3&sub1; bilden außerdem logische Binärinformationen, die an den Dekoder DEC des Fig. 1 geliefert werden, um den digitalen Wert von Vin zu bilden.The signals formed by the circuit CD1, more precisely the signals H2₁ and H3₁, also form binary logical information which is supplied to the decoder DEC of Fig. 1 to form the digital value of Vin.
In gleicher Weise erzeugt eine Schaltung CISk des Rangs k Ausgangssignale H1k, H2k und H3k, von denen die Signale H2k und H3k an den Dekoder übertragen werden.Similarly, a circuit CISk of rank k generates output signals H1k, H2k and H3k, of which the signals H2k and H3k are transmitted to the decoder.
Fig. 8 zeigt einen möglichen Aufbau der Verstärker AD1 bis AD5 oder der Verstärker A1, A2, A3, wobei in die Hauptdifferentialzweige Kaskodetransistoren (die Basiselektroden sind an ein gemeinsames Festpotential angeschlossen) eingesetzt und am Ausgang zwei zusätzliche bezüglich der Hauptzweige gekreuzte Differentialzweige hinzugefügt wurden. Solche Verstärker sind für ihre gute Linearität in einem weiten Eingangsspannungbereich bekannt.Fig. 8 shows a possible structure of the amplifiers AD1 to AD5 or the amplifiers A1, A2, A3, where cascode transistors (the base electrodes are connected to a common fixed potential) are inserted into the main differential branches and two additional differential branches crossed with respect to the main branches are added at the output. Such amplifiers are known for their good linearity in a wide input voltage range.
Fig. 9 zeigt ein praktisches Ausführungsbeispiel der Interpolationszelle CI1 mit ihren fünf Differentialverstärkern und ihren Multiplexierschaltungen. In diesem Beispiel ist der eigentliche Differentialverstärker der aus Fig. 2, aber die an die Kollektoren der Transistoren angeschlossenen Lastwiderstände sind von den Kollektoren getrennt, d. h. daß die Multiplexierschaltungen zwischen die Transistoren und die Lastwiderstände eingefügt sind.Fig. 9 shows a practical embodiment of the interpolation cell CI1 with its five differential amplifiers and its multiplexing circuits. In this example, the actual differential amplifier is that of Fig. 2, but the load resistors connected to the collectors of the transistors are separated from the collectors, i.e. the multiplexing circuits are inserted between the transistors and the load resistors.
Dies ergibt fünf Paare von Transistoren mit nur drei Paaren von Lastwiderständen. Die Aufgabe des Multiplexers ist es, die drei Paare von Lastwiderständen an drei ausgewählte der fünf Paare von Transistoren anzuschließen. Die Kollektoren der anderen Transistoren hängen dann an der Speisespannung Vcc.This gives five pairs of transistors with only three pairs of load resistors. The job of the multiplexer is to connect the three pairs of load resistors to three selected ones of the five pairs of transistors. The collectors of the other transistors are then connected to the supply voltage Vcc.
Der Aufbau der Fig. 9 muß natürlich verändert werden, wenn Verstärker gemäß Fig. 8 verwendet werden. Die Kaskodetransistoren und die zusätzlichen Differentialpaare sind dann an die drei Paare von Lastwiderständen am Ausgang des Multiplexers angeschlossen.The structure of Fig. 9 must of course be modified if amplifiers according to Fig. 8 are used. The cascode transistors and the additional differential pairs are then connected to the three pairs of load resistors at the output of the multiplexer.
Der Verstärkungsgrad der Differentialverstärker in den Interpolationsschaltungen hat vorzugsweise den Wart 2 (Verstärkung der Differential-Ausgangsspannung bezüglich der Differential-Eingangsspannung). Um diese Wahl zu erläutern, wird nochmals auf die Fig. 4 und 6 Bezug genommen.The gain of the differential amplifiers in the interpolation circuits preferably has a value of 2 (gain of the differential output voltage with respect to the differential input voltage). To explain this choice, reference is again made to Figs. 4 and 6.
In Fig. 6 sieht man die von den fünf Differentialverstärkern der Interpolationsschaltung CIS1 erzeugten Signale. Diese Signale wurden mit der gleichen Steigung (abhängig von Vin) wie die Eingangssignale V1A&sub0;, V1B&sub0;, u.s.w. dieser Stufe dargestellt, wie in Fig. 4 zu sehen. Dies würde dem Fall entsprechen, daß die Differentialverstärker der Schaltung CIS1 eine Einheitsverstärkung besitzen.In Fig. 6 one can see the signals generated by the five differential amplifiers of the interpolation circuit CIS1. These signals have been represented with the same slope (depending on Vin) as the input signals V1A₀, V1B₀, etc. of this stage, as can be seen in Fig. 4. This would correspond to the case where the differential amplifiers of the circuit CIS1 have a unity gain.
Man kann in diesem Fall einfach feststellen, daß die Spannungspegel im Kreuzungspunkt der Spannungsverläufe von einer Stufe zur nächsten nicht konstant sind: Beispielsweise kreuzen sich die benachbarten Überkreuzpaare am Ausgang der Verstärker A1, A2, A3 für eine Spannung Vm0. Die benachbarten Überkreuzpaare am Ausgang der Schaltung CIS1 kreuzen sich für eine Spannung Vm1 derart, daß Vm1-Vm halb so groß wie Vm0-Vm ist. Die benachbarten Überkreuzpaare am Ausgang der folgenden Stufe CIS2 kreuzen sich für eine Spannung Vm² derart, daß (Vm2-Vm) halb so groß wie (Vm1-Vm) ist u.s.w..In this case, it is easy to see that the voltage levels at the crossing point of the voltage curves from one stage to the next are not constant: for example, the adjacent crossover pairs at the output of the amplifiers A1, A2, A3 cross for a voltage Vm0. The adjacent crossover pairs at the output of the circuit CIS1 cross for a voltage Vm1 such that Vm1-Vm is half as large as Vm0-Vm. The adjacent crossover pairs at the output of the following stage CIS2 cross for a voltage Vm2 such that (Vm2-Vm) is half as large as (Vm1-Vm), and so on.
Die Transistoren der Verstärker der verschiedenen Stufen arbeiten also nicht unter gleichen Bedingungen.The transistors of the amplifiers of the different stages do not operate under the same conditions.
Es ist daher günstig, die Steigung der Kurvenverläufe abhängig von Vin von einer Stufe zur nächsten zu erhöhen, um den Pegel am Kreuzungspunkt jedesmal auf dem gleichen Wert Vm0 zu halten. Dies kann leicht erreicht werden, indem man einen Verstärkungsgrad von etwa 2 für die Differentialverstärker der verschiedenen Interpolationsschaltungen vorsieht.It is therefore advantageous to increase the slope of the curves as a function of Vin from one stage to the next in order to keep the level at the crossing point at the same value Vm0 each time. This can be easily achieved by providing a gain of about 2 for the differential amplifiers of the various interpolation circuits.
Die Entscheidungsschaltung CI1 ist im Detail in Fig. 10 zu sehen. Sie erzeugt logische Signale H1&sub1;, H2&sub1; und H3&sub1; aufgrund von analogen Additionen zwischen bestimmten der Eingangssignale V1A&sub0;, V1B&sub0;, V2A&sub0;, V2B&sub0;, V3A&sub0;, V3B&sub0;. Diese Signale hängen von Vin ab und ihre Summen hängen von. Vin ab (Ausnahme die Summe des Signale eines gemeinsamen Paares).The decision circuit CI1 is shown in detail in Fig. 10. It generates logic signals H1₁, H2₁ and H3₁ based on analog additions between certain of the Input signals V1A₀, V1B₀, V2A₀, V2B₀, V3A₀, V3B₀. These signals depend on Vin and their sums depend on Vin (except the sum of the signals of a common pair).
Zur Erläuterung des Prinzips der Entscheidungsschaltung wird zuerst auf Fig. 11 eingegangen. Um den auszuwählenden besten der drei Spannungsbereiche zu finden (denjenigen, der Vin am besten einrahmt), wenn die Bezugsspannungen VRB, V'RB, VRM, V'RA und VRA sind, muß man die Lage von Vin bezüglich der Spannungen VD1 und VD2 bestimmen, die in der Mitte des Halbintervalls V'RB/VRM beziehungsweise VRM/V'RA liegen.To explain the principle of the decision circuit, we first refer to Fig. 11. In order to find the best of the three voltage ranges to be selected (the one that best frames Vin) when the reference voltages are VRB, V'RB, VRM, V'RA and VRA, we must determine the position of Vin with respect to the voltages VD1 and VD2, which are in the middle of the half-interval V'RB/VRM and VRM/V'RA, respectively.
Wenn nämlich Vin kleiner als VD1 ist, muß man den unteren Bereich VRB/VRM auswählen, da Vin der Mitte dieses Bereichs näher als der Mitte der anderen Bereiche ist. Liegt Vin zwischen VD1 und VD2, dann muß man den zentralen Bereich V'RB/V'RA wählen, da Vin der Mitte dieses Bereichs näher als der Mitte der anderen Bereiche ist. Ist schließlich Vin größer als VD2, dann muß man den oberen Bereich VRM/VRA wählen.In fact, if Vin is less than VD1, the lower range VRB/VRM must be selected, since Vin is closer to the middle of this range than to the middle of the other ranges. If Vin is between VD1 and VD2, the central range V'RB/V'RA must be selected, since Vin is closer to the middle of this range than to the middle of the other ranges. Finally, if Vin is greater than VD2, the upper range VRM/VRA must be selected.
Um Vin mit VD1 und VD2 zu vergleichen, wenn man nicht unmittelbar über VD1 und VD2, sondern nur über die Eingangssignale der Schaltung CIS1 verfügt, kann man bestimmte dieser Eingangssignale in Differentialverstärkern kombinieren, die als algebraische Summierglieder wirken.To compare Vin with VD1 and VD2 when one does not have VD1 and VD2 directly but only the input signals of the CIS1 circuit, one can combine some of these input signals in differential amplifiers which act as algebraic summing elements.
So besteht die Schaltung, die den Vergleich von Vin mit VD1 (oberer Bereich in Fig. 10) durchführt, aus einem doppelten Paar von Überkreuz-Differentialzweigen, die zwei gemeinsame Lastwiderstände verwenden. Die vier Transistoren dieses doppelten Paars empfangen als Eingangsspannungen die Spannungen V1A&sub0; und V2A&sub0; (die Transistoren Q1 und Q2 sind an einen der Lastwiderstände angeschlossen) und die Spannung V2B&sub0; (die Transistoren Q3 und Q4 sind an den anderen Lastwiderstand angeschlossen). Die beiden Ausgänge dieses doppelten Differentialpaars gelangen an einen Komparator COMP1, der das logische Signal H1&sub1; und sein logisches Komplement liefert. Das doppelte Differentialpaar erzeugt nämlich ein Signal, dessen Veränderung mit Vin monoton negativ steigend ist, wenn (V2B&sub0;-V2A&sub0;) + (V2B&sub0;-V1A&sub0;) negativ ist, und dann positiv, wenn (V2B&sub0;-V2A&sub0;) + (V2B&sub0;-V1A&sub0;) positiv ist.Thus, the circuit which performs the comparison of Vin with VD1 (upper part of Fig. 10) consists of a double pair of cross-differential branches using two common load resistors. The four transistors of this double pair receive as input voltages the voltages V1A₀ and V2A₀ (the transistors Q1 and Q2 are connected to one of the load resistors) and the voltage V2B₀ (the transistors Q3 and Q4 are connected to the other load resistor). The two outputs of this double differential pair are fed to a comparator COMP1 which converts the logic signal H1₁ and its logic complement The double differential pair produces a signal whose variation with Vin is monotonically increasing negatively when (V2B₀-V2A₀) + (V2B₀-V1A₀) is negative, and positive when (V2B₀-V2A₀) + (V2B₀-V1A₀) is positive.
Betrachtet man die Kurven aus Fig. 4, dann sieht man leicht, daß die obige algebraische Summe zu null wird, wenn Vin durch das Zentrum VD1 des Intervalls V'RB/VRM läuft. Der Komparator COMP1 kippt also um, wenn Vin größer als VD1 wird.Looking at the curves in Fig. 4, it is easy to see that the above algebraic sum becomes zero when Vin passes through the center VD1 of the interval V'RB/VRM. The comparator COMP1 therefore tips over when Vin becomes larger than VD1.
Entsprechend wird H3&sub1; durch eine ähnliche Schaltung gebildet, die V2A&sub0;, V2B&sub0; und V3B&sub0; empfängt und am Ausgang eines Komparators COMP2 das Signal H3&sub1; und sein Komplement liefert, der umkippt, wenn Vin größer als VD2 wird. Schließlich erzeugt ein logischer Addierer das Signal H2&sub1;, bei dem es sich um das Komplement aus der Summe H1&sub1; + H3&sub1; handelt und das angibt, ob Vin zwischen VD1 und VD2 liegt oder nicht.Similarly, H3₁ is formed by a similar circuit which receives V2A₀, V2B₀ and V3B₀ and provides at the output of a comparator COMP2 the signal H3₁ and its complement, which flips when Vin becomes greater than VD2. Finally, a logic adder generates the signal H2₁, which is the complement of the sum H1₁ + H3₁ and indicates whether or not Vin is between VD1 and VD2.
Wie Fig. 11 zeigt, besitzt schließlich das Signal H1&sub1; einen Pegel 1 entsprechend der Wahl des unteren Bereichs (VRB/VRM), wenn Vin kleiner als VD1 ist, und einen Pegel 0, wenn Vin größer als VD1 ist. Das logische Signal H2&sub1; liegt auf einem Pegel 1 entsprechend der Wahl des zentralen Bereichs V'RD/V'RA, wenn Vin zwischen VD1 und VD2 liegt, und auf einem Pegel 0, wenn Vin sich außerhalb dieses Intervalls befindet. Schließlich liegt das Signal H3&sub1; auf einem Pegel 1 entsprechend der Wahl des oberen Bereichs VRM/VRA, wenn Vin größer als VD2 ist, und auf einem Pegel 0 im gegenteiligen Fall.Finally, as shown in Fig. 11, the signal H1₁ is at a level of 1 corresponding to the choice of the lower range (VRB/VRM) when Vin is less than VD1 and at a level of 0 when Vin is greater than VD1. The logic signal H2₁ is at a level of 1 corresponding to the choice of the central range V'RD/V'RA when Vin is between VD1 and VD2 and at a level of 0 when Vin is outside this interval. Finally, the signal H3₁ is at a level of 1 corresponding to the choice of the upper range VRM/VRA when Vin is greater than VD2 and at a level of 0 in the opposite case.
Für die anderen Interpolations- und Auswahlschaltungen gilt dasselbe, wobei die Signale H1k, H2k, H3k für die Schaltung des Rangs k die drei Bereichsauswahlmöglichkeiten des Rangs k bilden.The same applies to the other interpolation and selection circuits, with the signals H1k, H2k, H3k for the rank k circuit forming the three range selection options of rank k.
Die Bereichsauswahlsignale H1k, H2k, H3k werden vom Dekoder DEC (Fig. 1) zur Bestimmung des digitalen Werts von Vin verwendet.The range selection signals H1k, H2k, H3k are used by the decoder DEC (Fig. 1) to determine the digital value of Vin.
Die Bedeutung dieser Dekodierung ist folgende:The meaning of this decoding is as follows:
Aufgrund der Überlappung der Bereiche bestimmt der Wert der Signale H1k, H2k, H3k nicht unmittelbar einen Bereich von Werten von Vin. Die Information hat einen eindeutige Bedeutung, wenn der obere Bereich oder der untere Bereich des Rangs k ausgewählt ist (H2k = 0), aber eine zweideutige, wenn der zentrale Bereich ausgewählt ist (H1k = 1).Due to the overlap of the ranges, the value of the signals H1k, H2k, H3k does not directly determine a range of values of Vin. The information has a clear meaning when the upper range or the lower range of rank k is selected (H2k = 0), but an ambiguous one when the central range is selected (H1k = 1).
In diesem letzteren Fall löst die Wahl des Bereichs des Rangs k+1 diese Mehrdeutigkeit auf, es sei denn, auch hier würde der zentrale Bereich gewählt. Dies geht so weiter, daß man die Kombination der Wahlinformation für den Bereich des Rangs k und die Information der Bereichsauswahl für den Rang k+1 auswertet, um die Mehrdeutigkeit hinsichtlich des Bereichs zu beseitigen, in dem Vin sich befindet. Wenn im letzten Rang n der zentrale Bereich gewählt wird, behebt man die Mehrdeutigkeit (die dann nur noch ein Hit der geringsten Wichtung der Analog/Digitalumwandlung betrifft), indem man die Ausgangssignale V2An und V2Bn der Interpolationsschaltung CISn des Rangs n miteinander vergleicht (Komparator COMPn in Fig. 1). Dieser Vergleich zeigt, ob Vin näher beim unteren oder näher beim oberen Bereich liegt, selbst wenn Vin sich im zentralen Bereich befindet.In this latter case, the choice of the range of rank k+1 resolves this ambiguity, unless the central range is also chosen here. This proceeds by evaluating the combination of the selection information for the range of rank k and the range selection information for rank k+1 to resolve the ambiguity regarding the range in which Vin is located. If the central range is selected in the last rank n, the ambiguity (which then only concerns one hit of the smallest weight of the analog/digital conversion) is resolved by comparing the output signals V2An and V2Bn of the interpolation circuit CISn of rank n (comparator COMPn in Fig. 1). This comparison shows whether Vin is closer to the lower or closer to the upper range, even if Vin is in the central range.
Das Prinzip des Dekoders DEC ist folgendes: Das Bit B0 höchster Wichtung bei der Umwandlung hat den Wert 1, wenn H3&sub1; den Wert 1 hat, da Vin dann größer als VD2 ist. Das Bit B0 der höchsten Wichtung hat den Wert 0, wenn H3&sub1; und H2&sub1; beide den Wert 0 haben (was bedeutet, daß H1&sub1; den Wert 1 hat), da dann Vin kleiner als VD1 ist. Wenn aber H3&sub1; den Wert 0 und H2&sub1; den Wert 1 hat, liegt eine Mehrdeutigkeit vor, die erst bei Überprüfung von H3&sub2; aufgelöst wird.The principle of the decoder DEC is as follows: The bit B0 with the highest weighting during conversion has the value 1 if H3₁ has the value 1, since Vin is then greater than VD2. The bit B0 with the highest weighting has the value 0 if H3₁ and H2₁ both have the value 0 (which means that H1₁ has the value 1), since Vin is then less than VD1. However, if H3₁ has the value 0 and H2₁ has the value 1, there is an ambiguity that is only resolved when H3₂ is checked.
Das Bit B0 kann also durch Addition von H3&sub1; und eines Bits erhalten werden, das seinerseits von H3&sub2; und H2&sub1; abhängt, wobei weiter festzustellen ist, daß die Addition von H3&sub2; und H2&sub1; ihrerseits das Bit B1 der nächstkleineren Wichtung liefert, vorausgesetzt es liegt keine Mehrdeutigkeit vor (bei H3&sub2; = 0 und H2&sub2; = 1).The bit B0 can therefore be obtained by adding H3₁ and a bit which in turn depends on H3₂ and H2₁, and it should also be noted that the addition of H3₂ and H2₁ in turn provides the bit B1 of the next smallest weight, provided there is no ambiguity (with H3₂ = 0 and H2₂ = 1).
Die Struktur des hier vorgeschlagenen Dekoders ist in Fig. 12 gezeigt und enthält somitThe structure of the decoder proposed here is shown in Fig. 12 and thus contains
- einen Addierer ADD0 für die höchste Wichtung, der H3&sub1; und den Übertrag C1 eines Addierers ADD1 der nächstniedrigeren Wichtung empfängt und B0 liefert;- an adder ADD0 for the highest weighting, which receives H3₁ and the carry C1 of an adder ADD1 of the next lowest weighting and delivers B0;
- einen Addierer ADD1, der H2&sub1; aus der Entscheidungsschaltung CD2 und H3&sub2; aus der Entscheidungsschaltung CD2 sowie den Übertrag C2 eines nächstfolgenden Addierers ADD2 empfängt und das Bit H1 für die Umwandlung und den Übertrag C1 liefert;- an adder ADD1 which receives H2₁ from the decision circuit CD2 and H3₂ from the decision circuit CD2 as well as the carry C2 of a subsequent adder ADD2 and supplies the bit H1 for the conversion and the carry C1 ;
- und weitere Addierer ADDk, die jeweils H&sub2;k und H3k+1 sowie den Übertrag Ck+1 des nächsten Addierers empfangen und das Bit Bk der Umwandlung sowie einen Übertrag Ck liefern;- and further adders ADDk, each receiving H₂k and H3k+1 as well as the carry Ck+1 of the next adder and supplying the conversion bit Bk as well as a carry Ck;
- und für die letzte Stufe des Rangs n einen Addierer ADDn, der H2n und ein letztes Bit zur Auflösung der Mehrdeutigkeit empfängt, das vom Ausgang des Komparators CMPn stammt, während der Addierer das Bit Bn der Umwandlung und einen Übertrag für die vorhergehende Stufe liefert.- and for the last level of rank n, an adder ADDn which receives H2n and a final ambiguity resolution bit coming from the output of the comparator CMPn, while the adder supplies the conversion bit Bn and a carry for the previous level.
Die endgültige Beseitigung der Mehrdeutigkeit für das Bit mit der geringsten Wichtung erfolgt mithilfe des Pegels von Vin bezüglich der mittleren Hauptbezugsspannung, die von der letzten Interpolationsschaltung CISn gebildet wird. Dieser Vergleich wird vom Komparator CMPn geliefert, der die Signale V2An und V2Bn empfängt.The final ambiguity removal for the bit with the least weight is done using the level of Vin with respect to the mean main reference voltage formed by the last interpolation circuit CISn. This comparison is provided by the comparator CMPn which receives the signals V2An and V2Bn.
Somit wurde die Schaltung gemäß Fig. 1 in einer bevorzugten Ausführungsform vollständig beschrieben. Es sei bemerkt, daß Ausführungsvarianten vorgesehen werden können, ohne den Rahmen der Erfindung zu verlassen, und diese Varianten werden nun beschrieben.Thus, the circuit according to Fig. 1 has been fully described in a preferred embodiment. It should be noted that variants of the embodiment can be provided without departing from the scope of the invention and these variants will now be described.
Vorab sei bemerkt, daß die Schaltung insgesamt in MOS-Technologie realisiert werden kann, d. h. unter ausschließlicher Verwendung von Feldeffekt-Transistoren mit isolierter Gate-Elektrode anstelle von bipolaren Transistoren. Die Herstellung von linearen Differentialverstärker in MOS-Technologie ist nämlich bekannt.First of all, it should be noted that the entire circuit can be implemented using MOS technology, i.e. using only field-effect transistors with an insulated gate electrode instead of bipolar transistors. The production of linear differential amplifiers using MOS technology is known.
Dann kann der Analog/Digitalwandler nur zwei oder drei Stufen von Interpolationsschaltungen, wie sie oben beschrieben wurden, enthalten. Die Bits geringster Wichtung der Umwandlung können nämlich durch kaskadenartige Interpolationsschaltung gemäß dem Stand der Technik oder auch durch andere Mittel erhalten werden. Ebenso können die Bits höchster Wichtung (höher als B0) wie bereits erwähnt mithilfe von schnellen Grobwandlern erhalten werden.Then the analogue/digital converter can contain only two or three stages of interpolation circuits as described above. The bits of the lowest weight of the conversion can in fact be obtained by cascade-type interpolation circuits according to the state of the art or by other means. Likewise, the bits of the highest weight (higher than B0) can be obtained by means of fast coarse converters as already mentioned.
Außerdem enthalten die Interpolations- und Auswahlschaltungen, die anhand des bevorzugten Ausführungsbeispiels im Einzelnen beschrieben wurden, fünf Differentialverstärker und verwenden einen Multiplexer zur Wahl von drei der fünf Signalpaare. Man könnte aber auch, um die Anzahl von Kaskadenstufen zu verringern, die Komplexität dieser Stufen etwas erhöhen und eine oder mehrere der Interpolations- und Auswahlschaltungen mit einer größeren Anzahl von Differentialverstärkern versehen, die drei Signalpaare aus 2P+1 Signalpaaren auswählen können.In addition, the interpolation and selection circuits described in detail in the preferred embodiment contain five differential amplifiers and use a multiplexer to select three of the five signal pairs. However, to reduce the number of cascade stages, one could increase the complexity of these stages somewhat and provide one or more of the interpolation and selection circuits with a larger number of differential amplifiers capable of selecting three signal pairs from 2P+1 signal pairs.
In der Praxis kann p den Wert 3 besitzen (im oben beschriebenen Fall galt dagegen p = 2). Dies bedeutet, daß mit drei Paaren von Eingangssignalen neun Signalpaare erzeugt werden, die je einer fiktiven Bezugsspannung entsprechen, und daß drei benachbarte Bezugsspannungen ausgewählt werden, die ein Intervall definieren, das am besten Vin einrahmt. Diese drei Bezugsspannungen erlauben es, drei Paare von Ausgangssignalen zu definieren, die als Eingänge an die nächstfolgende Stufe gelangen.In practice, p can have the value 3 (in the case described above, however, p = 2). This means that with three pairs of input signals, nine pairs of signals are generated, each corresponding to a fictitious reference voltage, and three adjacent reference voltages are selected, defining an interval that best frames Vin. These three reference voltages allow three pairs of output signals to be defined, which are used as inputs to the next stage.
Fig. 13 zeigt die allgemeine Struktur einer Interpolations und Auswahlschaltung, die mit p = 3 arbeitet.Fig. 13 shows the general structure of an interpolation and selection circuit operating with p = 3.
Diese Schaltung enthält zwei aufeinanderfolgende Verstärkungsstufen und einen einzigen Multiplexer MUX am Ausgang der zweiten Stufe, um drei Paare aus den neun Paaren auszuwählen. Die erste Stufe enthält fünf Verstärker AD1 bis AD5 entsprechend denen aus Fig. 7. Diese Verstärker empfangen die drei nicht gekreuzten Paare und zwei Überkreuzpaare von Eingangssignalen, wie dies anhand von Fig. 7 erläutert wurde. Die zweite Stufe enthält neun Verstärker AD6 bis AD14 und empfängt die fünf nicht gekreuzten Paare aus der ersten Stufe sowie vier Überkreuzpaare, die ebenfalls aus der ersten Stufe stammen. Die Verstärkungsgrade der Verstärker AD1 bis AD14 haben vorzugsweise den Wert von etwa 2. Die neun Verstärker der zweiten Stufe erzeugen Paare symmetrischer und monotoner Signale, die neun fiktive und gleichmäßig in einem Intervall verteilte Bezugsspannungen definieren, wobei die Grenzen dieser Intervalle die von den drei Paaren von Eingangssignalen definierten Hauptbezugsspannungen sind. Die Entscheidungsschaltung CD1 wählt drei dieser neun Bezugsspannungen aus, also drei Paare von Ausgangssignalen unter den neun möglichen Paaren. Diese drei so gewählten fiktiven Bezugsspannungen, die für die nächste Stufe die Hauptbezugsspannungen werden und deren Größe viermal geringer als das Intervall zwischen den durch die Eingangssignale definierten Hauptbezugsspannungen ist, sind diejenigen, die am besten die Eingangsspannung Vin einrahmen. Die Entscheidungsschaltung, die diese drei Bezugsspannungen unter den neun möglichen auswählt, führt analoge Subtraktionen und Vergleiche ausgehend von den fünf Eingangssignalpaaren der zweiten Stufe gemäß dem anhand der Fig. 10 und 11 erläuterten Prinzip durch, um logische Signale (drei Bits für sieben Möglichkeiten) zu erzeugen, die die durchgeführte Wahl dokumentieren. Diese logischen Signale sind unmittelbar mit dem Bereich verknüpft, in dem sich Vin befindet, und können dekodiert werden, um eine Angabe über den digitalen Wert von Vin zu liefern. Das Schema aus Fig. 13 verringert die Anzahl von Kaskadestufen, da ein Spannungsbereich des Rangs k eine viermal kleinere Amplitude als ein Spannungsbereich des Rangs k-1 besitzt, aber natürlich geht dies zu Lasten einer größeren Komplexität jeder Stufe.This circuit contains two consecutive amplification stages and a single multiplexer MUX at the output of the second stage to select three pairs from the nine pairs. The first stage contains five amplifiers AD1 to AD5 corresponding to those in Fig. 7. These amplifiers receive the three uncrossed pairs and two crossover pairs of input signals, as explained with reference to Fig. 7. The second stage comprises nine amplifiers AD6 to AD14 and receives the five uncrossed pairs from the first stage and four crossover pairs also from the first stage. The gains of the amplifiers AD1 to AD14 are preferably approximately 2. The nine amplifiers of the second stage produce pairs of symmetrical and monotonic signals defining nine fictitious reference voltages evenly distributed over an interval, the boundaries of these intervals being the main reference voltages defined by the three pairs of input signals. The decision circuit CD1 selects three of these nine reference voltages, that is to say three pairs of output signals from the nine possible pairs. These three fictitious reference voltages thus chosen, which become the main reference voltages for the next stage and whose magnitude is four times smaller than the interval between the main reference voltages defined by the input signals, are those which best frame the input voltage Vin. The decision circuit which selects these three reference voltages from the nine possible ones carries out analog subtractions and comparisons from the five pairs of input signals of the second stage, according to the principle explained with reference to Figs. 10 and 11, to generate logic signals (three bits for seven possibilities) which document the choice made. These logic signals are directly linked to the range in which Vin is located and can be decoded to provide an indication of the digital value of Vin. The scheme of Fig. 13 reduces the number of cascade stages, since a voltage range of rank k has an amplitude four times smaller than a voltage range of rank k-1, but of course this comes at the expense of increasing the complexity of each stage.
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